Линзы — самые распространенные оптические устройства. Например, объективы фотоаппаратов формируют четкое изображение, фокусируя свет. За последние десятилетия оптика шагнула далеко вперед: громоздкие камеры превратились в компактные смартфонные модули.

Но даже продвинутые камеры в телефонах требуют набора линз, из-за которых корпус утолщается. Это неизбежно: чтобы свет правильно преломлялся и попадал на сенсор, линза должна быть достаточно толстой.

Ученые искали способ обойти это ограничение и нашли решение — металлинзы. Они плоские, работают так же, как обычные, но в 40 раз тоньше человеческого волоса и легкие, поскольку делаются не из стекла.

Секрет в метаповерхности из наноструктур шириной и высотой в сотни нанометров (нанометр — миллиардная часть метра). Они меняют направление света, позволяя радикально уменьшить размер линзы.

Если добавить специальные материалы, можно раскрыть другие необычные свойства света. Например, в нелинейной оптике свет одного цвета преобразуется в другой. Зеленый лазерный луч работает по этому принципу: инфракрасный свет проходит через кристаллический материал и превращается в свет с вдвое меньшей длиной волны — зеленый. Один из таких материалов — ниобат лития. Его используют в телекоммуникациях для соединения электроники с оптическими волокнами.

Рэйчел Гранж, профессор ETH Zurich, исследует создание наноструктур из таких материалов. Ее команда разработала новый метод изготовления металлинз из ниобата лития.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Метод сочетает химический синтез и точную наноинженерию. «Раствор с компонентами для кристаллов ниобата лития можно штамповать в жидком состоянии. Это похоже на печатный станок Гутенберга», — объясняет Улле-Линда Тальтс, аспирантка из группы Гранж. После нагрева до 600°C материал становится кристаллическим и может преобразовывать свет, как в случае с зеленым лазером.

У метода есть плюсы:

• Ниобат лития сложно обрабатывать стандартными методами — он очень твердый и стабильный.
• Технология подходит для массового производства: одну форму можно использовать многократно, печатая сколько угодно линз.
• Это дешевле и быстрее, чем другие методы миниатюризации оптики.

Ученые создали первые металлинзы из ниобата лития с точно рассчитанными наноструктурами. Они не только фокусируют свет, но и меняют его длину волны. Если пропустить через такую линзу инфракрасный свет (800 нм), на выходе получится видимый свет (400 нм), сфокусированный в заданной точке.

Этот «фокус» стал возможен благодаря структуре линзы и свойствам материала, создающего нелинейный оптический эффект. Он работает не только на определенной длине волны, что расширяет область применения.

Где это пригодится

• Защита от подделок — наноструктуры можно использовать как скрытые метки на деньгах и ценных бумагах. Их не разглядеть невооруженным глазом, но можно проверить с помощью специального света.
• Микроскопия нового поколения — линзы помогут преобразовывать инфракрасный свет в видимый, упрощая детекторы.
• Электроника — технология сократит число компонентов в производстве микросхем.

Метаповерхности — молодое направление на стыке физики, химии и материаловедения. «Мы только начали изучать их потенциал. Интересно, как эта доступная технология изменит будущее», — говорит Гранж.

Этот прорыв решает две ключевые проблемы: миниатюризацию оптики и многофункциональность. Металлинзы не просто тоньше — они совмещают фокусировку и преобразование света, что раньше требовало нескольких элементов. Это удешевит производство камер, лазеров, датчиков. В перспективе — более тонкие смартфоны, компактные медицинские приборы (например, эндоскопы), новые методы защиты данных.

Пока технология ограничена лабораторными условиями. Ниобат лития хрупок, а нагрев до 600°C усложняет интеграцию в существующие производственные линии. Кроме того, эффективность преобразования света пока ниже, чем у традиционных кристаллов.

Ранее ученые разработали мантию-невидимку на батарейках.