Un nuevo tipo de lente plana desarrollado en el laboratorio de Federico Capasso
Una cuestión de visió
“Él nos dijo, ‘Concentrémonos en esto’. Él nos dio los recursos; él nos dio la guía”.
Federico Capasso creía que una lente plana podría revolucionar productos y dispositivos avanzados. Pero necesitaba ayuda para innovar uno y llevarlo al mercado.
En junio de 2016, el teléfono de Alan Gordon no dejaba de sonar. En la portada de la destacada revista Science había una imagen sorprendente de un «metalens» recientemente desarrollado, una serie de diminutas nanoestructuras rectangulares que parecían rascacielos en una ciudad cada vez más pequeña y enfocaban la luz en un solo punto.
Era un invento que durante años había sido seguido por la duda. Los primeros resultados probaron el concepto, pero los modelos pudieron enfocar tan poca luz que se pensó que un metalens nunca podría mejorarse lo suficiente como para ser útil, dijo un experto. Más tarde, mejores hallazgos fueron cuestionados como inexactos, y llegaron solicitudes de revisores incrédulos para detalles de diseño reales.
“Dicen que es imposible, o que estás haciendo trampa en alguna parte del sistema”, dijo Reza Khorasaninejad, un ex becario postdoctoral que fue el primer autor de varios artículos sobre metalens antes de dejar Harvard en 2017.
Pero la promesa de la innovación esotérica también llamó la atención. Federico Capasso , el profesor de física aplicada Robert L. Wallace en cuyo laboratorio se desarrollaron los dispositivos, había reconocido durante mucho tiempo que tenían el potencial de hacer todo lo que podían hacer los lentes convencionales y más, permitiendo una nueva funcionalidad en un paquete más pequeño para todo tipo de avanzados. dispositivos como los de reconocimiento facial portátil que necesitan «ver» y lo hacen a un precio lo suficientemente bajo como para interrumpir una industria que sigue fabricando lentes como lo había sido durante mucho tiempo, a partir de elementos curvos de vidrio o plástico. Pero sería un largo camino, uno que ilustra los obstáculos que enfrentan los científicos y empresarios entre el momento de la bombilla y los productos reales.
“Eso es lo que me gustaba de Federico. No escucha a estos tipos”, dijo Khorasaninejad, quien trabajó en el laboratorio de Capasso durante tres años. “Él nos dijo, ‘Concentrémonos en esto’. Él nos dio los recursos; él nos dio la guía”.
Metalens
Mientras que los lentes tradicionales usan vidrio curvo o plástico para curvar la luz y enfocar una imagen, un metalens usa una serie de pequeños pilares en una oblea de un milímetro de espesor.
Metalenz
A principios de 2016, un equipo dirigido por Capasso, con contribuciones clave de Khorasaninejad, el estudiante de posgrado Rob Devlin y el posdoctorado Wei Ting Chen, demostraron que sí se podía hacer y lo suficientemente bien como para que los dispositivos comerciales fueran posibles. Capasso presentó un informe de invención ante la Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard y, poco después, el descubrimiento apareció en la portada de Science. Gordon , director de desarrollo comercial para ciencias físicas de OTD, intervino para gestionar la avalancha de interés.
“Llevo mucho más tiempo en esto de lo que me gustaría admitir, pero ese papel, el invento y la patente que presentamos generaron mucho más interés comercial (de empresas, empresarios e inversores) que cualquier otro invento de tecnología dura que pueda recordar. ”, dijo Gordon. “Fue emocionante y un poco impactante. Conocimos y hablamos con mucha gente sobre este trabajo”.
Federico Capasso
Un nuevo tipo de lente desarrollado en el laboratorio de Federico Capasso ha recibido su primer gran impulso en el mercado. Jon Chase/Fotógrafo del personal de Harvard
Esas personas entendieron entonces lo que Capasso había visto más de una década antes. Las lentes son componentes esenciales en una gran cantidad de dispositivos, que enfocan y detectan la luz, tanto visible como invisible, para aplicaciones que van mucho más allá de las imágenes, incluido el reconocimiento facial en teléfonos inteligentes y computadoras portátiles, detección de proximidad y gestos para mejorar las funciones de respuesta en dispositivos automatizados, cámaras de detección de profundidad , conciencia medioambiental en drones y robots, y prevención de colisiones en coches autónomos.
Metalenz la evolucion optica que revoluciona la electronica de consumo
En muchos de esos dispositivos, el espacio es reducido. Los elementos apilados de plástico o vidrio en las lentes tradicionales han resistido la verdadera miniaturización que han sufrido la mayoría de los demás componentes. Permanecen entre los componentes más voluminosos y un cuello de botella en el diseño de dispositivos.
“Sostengo mi teléfono celular y saco una tarjeta de crédito”, dijo Gordon, describiendo cómo presenta la tecnología a posibles inversionistas. “Solo hay dos razones por las que el teléfono no es tan delgado como la tarjeta de crédito. Uno es la cámara y el otro es la batería. Los metalens ayudarán a que el teléfono sea tan delgado como una tarjeta de crédito”.
Mientras que los lentes tradicionales usan vidrio curvo o plástico para curvar la luz y enfocar una imagen, un metalens usa una serie de pequeños pilares en una oblea de un milímetro de espesor. Los pilares son más pequeños que la longitud de onda de la luz y transparentes a la longitud de onda deseada. La forma de los pilares, las distancias entre ellos y su disposición en la oblea se modifican para curvar la luz según se desee.
No mucho después de esa portada de Science, OTD autorizó la tecnología a una startup, Metalenz, con sede en Boston, fundada por Capasso, Devlin y Bart Riley, un emprendedor tecnológico con quien esa oficina había trabajado anteriormente. Ahora, el director ejecutivo de Metalenz, Devlin, hizo un avance de materiales clave en el laboratorio de Capasso que mejoró en gran medida la eficiencia de las lentes. A principios de este año, Metalenz registró su primera venta importante con el fabricante STMicroelectronics. STMicro utilizará metalenses en los módulos de «tiempo de vuelo» de la compañía, que brindan detección 3D en una variedad de dispositivos y que previamente han vendido 1.700 millones de unidades. Esas unidades aparecen en todo, desde drones hasta robots y teléfonos inteligentes. Metalenz dijo en junio que espera que sus componentes ópticos estén en millones de dispositivos de consumo este año.
wafer
Khorasaninejad, quien hoy es CEO y cofundador de Leadoptik, con sede en San Francisco, calificó el acuerdo como «un respaldo muy, muy fuerte de la industria», mientras que Capasso dijo que los metales se pueden fabricar en las mismas fábricas que los chips de computadora. cambiando”, ya que unifica dos industrias: la fabricación de semiconductores y la fabricación de lentes.
“La misma tecnología plana, conocida como litografía ultravioleta profunda, para producir circuitos integrados (chips) en masa puede ser utilizada por la misma fundición para fabricar ópticas planas como metalenses”, dijo Capasso. “Significa que todo el módulo de la cámara de un teléfono celular o computadora portátil eventualmente se fabricará de una sola vez, incluidos los metales y el sensor”.
¿Puedes deshacerte de la lente?
Capasso llegó a Harvard en 2003 después de una carrera en Bell Labs, donde, en 1994, él y sus colegas inventaron y desarrollaron el láser de cascada cuántica, que actualmente se comercializa en dispositivos para detección química y espectroscopia.
Capasso rastreó el desarrollo de los metalenos a una conversación que tuvo hace más de una década con Jim Anderson , el profesor Philip S. Weld de Química Atmosférica. Los dos habían estado discutiendo poner un láser de cascada cuántica en un dron que Anderson quería usar para detectar ciertas sustancias químicas en la atmósfera, pero no había suficiente espacio. Eso se debió en parte a los voluminosos elementos ópticos necesarios para enfocar. Anderson llegó al corazón del problema.
“Él dijo, ‘¿Puedes deshacerte de la lente?’”, recordó Capasso. “Mi primera reacción fue, ‘¿De qué diablos está hablando?’ Pero luego dije: ‘No, espera un momento’”.
Capasso comenzó a intercambiar ideas sobre la idea con un par de estudiantes de su grupo. A partir de 2007 o 2008, comenzaron a centrarse en la cuestión científica de si era posible doblar la luz en un dispositivo completamente plano.
Rob Devlin.
Rob Devlin, ahora director ejecutivo de Metalenz, hizo un avance de materiales clave en el laboratorio de Capasso como estudiante graduado que mejoró en gran medida la eficiencia de las lentes.
Metalenz
Los primeros trabajos utilizaron lo que llamaron «antenas plasmónicas» que eventualmente evolucionaron en metasuperficies: superficies bidimensionales de un milímetro de espesor tachonadas con diminutas nanoestructuras más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Esos arreglos, dijo Capasso, pueden alterar el camino de la luz que fluye a través de ellos en una especie de «refracción artificial».
Ese trabajo progresó gradualmente, produciendo varios artículos científicos que condujeron a un gran avance en 2011, publicado en Science y ahora citado más de 5400 veces. Capasso y los miembros de su laboratorio demostraron que podían ajustar las nanoestructuras y desviar la luz a un «punto de acceso» enfocado aproximadamente.
Si bien los resultados fueron de interés científico, la eficiencia fue tan baja que la mayor parte de la luz se perdió, un resultado que, según los escépticos, significaba que nunca sería útil.
Aportando ojos nuevos, nuevas habilidades
En 2012, Devlin se unió al laboratorio. Sin experiencia en óptica, Devlin trabajó en un área que Capasso pensó que sería clave: la ciencia de los materiales y la nanofabricación. El mismo Devlin creía que el laboratorio había descubierto la ciencia en su mayor parte, y que elegir los materiales y los procesos de fabricación correctos sería fundamental para obtener mejores resultados.
“La metasuperficie fue una gran prueba de concepto, pero los dispositivos en sí mismos eran realmente ineficientes”, dijo Devlin. “Hubo problemas en la forma en que se fabricó, en los materiales y en el diseño”.
Devlin se dedicó a considerar materiales y procesos que no solo funcionaran en el laboratorio, sino que también funcionarían, si fuera necesario escalar un dispositivo exitoso. Finalmente, se decidió por el dióxido de titanio, un compuesto ampliamente utilizado en pigmentos de pintura, protectores solares, colorantes alimentarios y como superficie reflectante en espejos dieléctricos. Más importante aún para Devlin, tenía propiedades de baja absorción de luz.
Capasso y sus posdoctorados están trabajando en nuevos descubrimientos, incluida una ambiciosa «cámara universal» que puede ver todas las propiedades de la luz al mismo tiempo.
Jon Chase/Fotógrafo del personal de Harvard
A fines de 2015, había entre ocho y diez personas en el laboratorio trabajando en diferentes aspectos de las metasuperficies. A medida que cada uno centró su atención en el rendimiento de los lentes, aportaron perspectivas y conocimientos obtenidos de sus diversos esfuerzos anteriores.
Devlin supo que tenían las cosas bien cuando la eficiencia (la cantidad de luz disponible que el dispositivo podía enfocar) comenzó a aumentar abruptamente, pasando del 10 % al 85 % en unas pocas semanas. La rápida mejora y claridad de las imágenes resultantes sorprendió a Devlin, Khorasaninejad y Chen.
Metalenz
Esos resultados impulsaron el artículo de Science de 2016, que no solo generó un gran revuelo en la industria de las lentes, sino que también se convirtió en finalista del avance científico del año. A pesar de los elogios y la nueva creencia en la promesa de un metalens, todavía enfocaba solo longitudes de onda de luz. Y, si bien ciertamente hubo usos para la luz de una sola longitud de onda (el reconocimiento facial, por ejemplo, se realiza haciendo rebotar una sola longitud de onda fuera del espectro visible en la cara de una persona y analizando la luz que regresa), el siguiente desafío fue producir el primero » metalens acromáticos, uno que enfoca la luz a través del espectro visible.
“Me encerré en mi oficina con Wei Ting Chen durante el fin de semana y dije: ‘Ahora tenemos que entender lo que hemos hecho’”, dijo Capasso. “Nuestro diseño aseguró que todos los colores, independientemente de dónde despeguen, lleguen al mismo tiempo al mismo lugar”.
Les tomó dos años, pero en 2018 se convirtieron en los primeros en reportar el éxito, con alta resolución.
Sin embargo, mientras tanto, Gordon respondía llamadas de la industria y asesoraba a Capasso y Devlin sobre el próximo paso del desarrollo comercial de los metalenses. Les aconsejó que fundar una startup en torno a una nueva tecnología tiende a ser más exitoso que otorgar la licencia a una gran corporación, donde se puede perder. Escucharon y fundaron Metalenz para comercializar la invención y buscar aplicaciones adicionales.
Mientras tanto, Devlin tenía que tomar una decisión. Había comenzado sus estudios de posgrado pensando que seguiría una pista académica cuando dejó el laboratorio de Capasso. Pero tuvo la oportunidad de estar entre los fundadores de Metalenz y guiar él mismo el desarrollo del dispositivo.
Sin embargo, para Capasso, la primera prioridad de Devlin era terminar la carrera. No dejó de lado al científico más joven, lo que le exigió continuar investigando y completar otro artículo científico. Entonces Capasso interfirió con los inversores y las empresas que querían una parte del tiempo de Devlin.
“Federico se aseguró de que no abandonara la finalización de mi doctorado”, dijo Devlin. “Él dijo: ‘Nadie debe contactar a Rob hasta que complete su disertación’”.
Devlin defendió su disertación en 2017 y se graduó en junio de 2018. Cuando OTD y Metalenz anunciaron la puesta en marcha al mundo en 2021, Devlin era su director ejecutivo.
“El doctorado. El estudiante no siempre es del tipo de director ejecutivo, pero algunos lo son, y Rob ha demostrado que tiene la personalidad para hacerlo”, dijo Gordon.
En los últimos años, Devlin llevó a la empresa a través de varios hitos iniciales, aseguró fondos, desarrolló relaciones con los fabricantes y el reciente anuncio de que los metalenses de la empresa entrarán en producción en masa.
Aunque Metalenz ha licenciado más de 20 patentes de laboratorio de Capasso de Harvard, Capasso y sus estudiantes y posdoctorados están trabajando intensamente en nuevos descubrimientos. Un enfoque actual está en cámaras ultracompactas sensibles a la polarización, basadas en ópticas planas, que pueden detectar la dirección en la que la luz vibra después de que se transmite o refleja, revelando detalles invisibles de una escena. Su grupo está involucrado en dos colaboraciones con la NASA en estas cámaras, relacionadas con las ciencias de la Tierra y la física solar. Él y sus alumnos también están jugando con la idea de una «cámara universal» que pueda ver todas las propiedades de la luz al mismo tiempo, incluidas las que no pueden ser vistas por las cámaras existentes. Capasso describió ese desafío como “muy ambicioso”.
“Estamos aquí para aprender, comenzando por mí”, dijo Capasso. “Siempre les digo a los estudiantes: ‘Si tienes algo bueno, tienes que regalarlo. No te lo guardes para ti’”.
