Thụy Sĩ phát triển siêu thấu kính mỏng hơn sợi tóc 40 lần, có thể cắt đôi bước sóng ánh sáng hồng ngoại

Một bước đột phá đáng chú ý trong lĩnh vực quang học vừa được ghi nhận tại Thụy Sĩ, khi các nhà khoa học công bố một loại siêu thấu kính siêu mỏng có thể chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại vốn vô hình với mắt người thành ánh sáng khả kiến.

Đây là thành tựu do nhóm nghiên cứu của phó giáo sư Rachel Grange tại ETH Zurich dẫn đầu, mở ra tiềm năng to lớn cho tương lai của các thiết bị quang học siêu nhỏ và công nghệ hồng ngoại.

Bằng cách in trực tiếp các mẫu nano lên tinh thể lithium niobat (LiNbO₃), nhóm nghiên cứu đã tạo ra một loại thấu kính chỉ mỏng bằng 1/40 sợi tóc người, nhưng có khả năng điều khiển ánh sáng với độ chính xác cao, điều vốn được cho là bất khả thi trước đây.

Đặc biệt, thấu kính này có thể "cắt đôi" bước sóng của tia hồng ngoại, từ 800 nanomet xuống chỉ còn 400 nanomet, chuyển nó sang vùng ánh sáng tím mà mắt người có thể nhìn thấy được.

Không chỉ là một công trình mang tính học thuật, phát minh này còn được kỳ vọng sẽ ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Nhóm nghiên cứu cho biết, siêu thấu kính mới có thể giúp chế tạo các thiết bị quang học nhỏ gọn và hiệu suất cao, chẳng hạn như máy ảnh siêu mỏng, các cảm biến hình ảnh công nghệ cao hay thiết bị chống làm giả trong in tiền.

Ngoài ra, nó còn có thể thay đổi cách chế tạo các thiết bị nhìn đêm và camera nhiệt, hai công cụ chủ chốt trong ngành an ninh, quốc phòng và nghiên cứu khoa học bằng cách đơn giản hóa cấu trúc và giảm thiểu chi phí sản xuất.

Điểm đặc biệt nằm ở quy trình sản xuất của siêu thấu kính này. Thay vì sử dụng các phương pháp chế tạo truyền thống vốn gặp khó khăn do độ cứng và ổn định cao của lithium niobat, nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình gọi là “nanoforming”, cho phép tạo hình chính xác các mẫu nano ngay bên trong chất lỏng tiền chất của tinh thể.

Dưới nhiệt độ 600 độ C, các cấu trúc nano được cố định lại và kết tinh, hình thành nên các đặc tính quang học phi tuyến tính đặc biệt, yếu tố then chốt giúp chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại thành ánh sáng khả kiến.

Phương pháp này được mô tả là có phần giống với quá trình in Gutenberg (cuộc cách mạng trong ngành in ấn châu Âu thế kỷ 15) khi “mực in” ở đây chính là các mẫu nano được đổ vào khuôn đảo ngược có thể tái sử dụng, cho phép sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao.

Kỹ thuật này đã vượt qua được rào cản lớn nhất trong việc chế tạo cấu trúc nano từ lithium niobat, nhờ đó mang lại một hướng đi hoàn toàn mới cho sản xuất các thành phần quang học.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy thấu kính có thể tập trung tia laser hồng ngoại thành ánh sáng tím rõ nét chỉ bằng một điểm nhỏ.

Đây là kết quả của hiệu ứng quang học phi tuyến – vốn trước đây chỉ có thể đạt được với các tinh thể lớn và thiết bị phức tạp – giờ đây đã được tích hợp gọn gàng trong một cấu trúc siêu mỏng.

Tiềm năng ứng dụng của phát minh này là rất rộng lớn. Trong lĩnh vực tài chính, các đặc tính quang học độc đáo có thể được sử dụng làm dấu chống làm giả trên tiền giấy hay các giấy tờ có giá.

Trong sản xuất công nghệ cao, thấu kính này có thể thay thế các thiết bị quang khắc cực tím sâu vốn đắt đỏ, từ đó giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất thế hệ chất bán dẫn tiếp theo.

Ngoài ra, ngành y tế và nghiên cứu khoa học cũng sẽ hưởng lợi từ việc chế tạo các hệ thống hình ảnh nhỏ gọn và chính xác hơn, phục vụ chẩn đoán hoặc phân tích sinh học ở cấp độ nano.

“Chúng tôi chỉ mới chạm đến bề mặt của tiềm năng mà các bề mặt quang học siêu mỏng (metasurfaces) mang lại”, phó giáo sư Rachel Grange chia sẻ. “Đây là một lĩnh vực mới mẻ, nằm ở giao điểm giữa vật lý, khoa học vật liệu và hóa học. Chúng tôi thực sự phấn khích trước ảnh hưởng mà công nghệ tiết kiệm chi phí này sẽ đem lại cho thế giới”.

Nghiên cứu đã được công bố chính thức trên tạp chí Advanced Materials, một trong những ấn phẩm khoa học hàng đầu trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến và công nghệ nano.

Đây được xem là một cột mốc mới trong hành trình thu nhỏ và đơn giản hóa các thiết bị quang học, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ nhìn ban đêm, cảm biến thông minh, hình ảnh y tế và thậm chí là cả các ứng dụng tiêu dùng hàng ngày.