Metašošovky zmenšia fotoaparáty v mobiloch a satelitoch na hrúbku papiera
Pozrite sa na zadnú stranu svojho smartfónu. Ten malý, no neprehliadnuteľný výstupok, v ktorom sa ukrýva fotoaparát, je symbolom jednej z posledných hraníc miniaturizácie. Zatiaľ čo procesory, batérie a displeje sa stávajú tenšími a výkonnejšími, optika zostáva tvrdohlavo zviazaná zákonmi fyziky, ktoré si vyžadujú priestor na ohýbanie svetla.
Tento problém sa netýka len telefónov; vo vesmíre obiehajú satelity s masívnymi a ťažkými objektívmi, ktorých vynesenie na obežnú dráhu stojí milióny dolárov. Práve tento fyzikálny limit sa teraz snaží prekonať revolučná technológia nazývaná metašošovky. Metašošovka je v podstate úplne plochý povrch, ktorý na zaostrovanie svetla nepoužíva zakrivené sklo, ale sústavu miniatúrnych nanoštruktúr, menších ako vlnová dĺžka samotného svetla.
Prvá generácia týchto šošoviek však narazila na zásadný problém: jedna vrstva nanoštruktúr nedokázala efektívne zaostriť široké spektrum farieb (rôzne vlnové dĺžky svetla) do jedného bodu bez vážnych kompromisov. Takáto šošovka by musela byť buď extrémne malá, alebo by mala tak nízku schopnosť sústrediť svetlo, že by bola prakticky nepoužiteľná. Bol to fundamentálny fyzikálny limit, ktorý sa zdal byť neprekonateľný.
Prelom prišiel, keď si vedci uvedomili, že riešenie nespočíva v zdokonaľovaní jednej plochej vrstvy, ale v prechode do tretej dimenzie. Namiesto jednej vrstvy začali na seba skladať niekoľko ultratenkých vrstiev nanoštruktúr, čím vytvorili komplexnejšiu štruktúru, ktorá dokázala obísť predošlé obmedzenia.
Je to podobný princíp, ako keď sa namiesto jednopodlažných budov začali stavať mrakodrapy – pridaním vertikálneho rozmeru sa na rovnakej ploche vytvorí neporovnateľne väčšia kapacita. Tento tím aplikoval rovnaký architektonický princíp na optiku v nanomierke a dosiahol to, čo sa donedávna považovalo za nemožné. To, čo robí tento objav ešte fascinujúcejším, je spôsob, akým boli tieto zložité vzory navrhnuté.
Nevytvoril ich človek, ale umelá inteligencia. Vedci použili výkonný algoritmus „inverznej konštrukcie“, ktorému nezadali konkrétny dizajn, ale len požadovaný výsledok: „zaostri týchto päť farieb svetla presne do tohto jedného bodu“. Umelá inteligencia potom pracovala spätne a sama „vynašla“ optimálne tvary a usporiadanie nanoštruktúr, ktoré boli schopné túto úlohu splniť.
Výsledkom boli prekvapivé a pre ľudskú intuíciu nečakané tvary, ako napríklad „zaoblené štvorce, štvorlístky a vrtule“. Algoritmus bol vedený tak, aby našiel tvary vytvárajúce špecifické rezonancie, čo nielen zlepšilo výkon, ale zároveň zabezpečilo, že šošovky fungujú nezávisle od polarizácie svetla.
Navyše, celý dizajn je navrhnutý s ohľadom na praktickú výrobu; každá tenká vrstva sa dá vyrobiť samostatne a následne sa jednoducho poskladajú na seba. Potenciálne aplikácie tejto technológie sú transformačné a mohli by zmeniť svet, ako ho poznáme.
Výstupok fotoaparátu na vašom telefóne by mohol úplne zmiznúť a byť nahradený plochým povrchom s rovnako kvalitnou, ak nie lepšou optikou. Drony by sa stali ľahšími, čo by im umožnilo niesť sofistikovanejšie zobrazovacie systémy alebo lietať dlhšie. Najväčší dopad by to však malo na vesmírny priemysel, kde by sa dramaticky znížila hmotnosť a cena satelitov.
Technológia je dokonca taká presná, že by sa dala použiť na vytvorenie „smerovača farieb“, ktorý by zaostroval rôzne farby na rôzne miesta, čo otvára dvere novým možnostiam v optických počítačoch a komunikácii. V konečnom dôsledku by táto technológia mohla demokratizovať prístup k vysoko kvalitným dátam o našom svete.
Namiesto niekoľkých drahých a veľkých satelitov by sme mohli mať na obežnej dráhe konštelácie tisícov lacných a malých mikrosatelitov, ktoré by poskytovali dáta v reálnom čase. Farmári by mohli monitorovať zdravie svojich plodín, vedci sledovať odlesňovanie, mestskí plánovači riadiť dopravu a humanitárne organizácie reagovať na katastrofy s presnosťou, o akej sa nám doteraz ani nesnívalo.
Zdroj: sciencedaily.com.
Zdroj Foto: Optics Express, 10.1364/OE.564328
