Un grupo de investigadores coreanos han creado unas lentes a escala nanométrica y de resolución súper alta utilizando un novedoso método de autoensamblaje. Por ahora, han podido demostrar la utilidad de estas diminutas lentes para la litografía ultravioleta, para crear imágenes de objetos demasiado pequeños para las lentes convencionales, así como para capturar fotones individuales a partir de una nanoestructura emisora de luz denominada punto cuántico.

Los límites en cuanto a resolución de los microscopios de luz y los instrumentos fotolitográficos que se utilizan en la industria de los semiconductores vienen dados por una serie de propiedades fundamentales de la luz. Debido a la forma en que la luz se dispersa, o difracta, incluso las lentes perfectas son incapaces de distinguir entre dos objetos que se encuentren a una distancia más corta que la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada para obtener una imagen de dichos objetos.

Existen otros investigadores dedicados a la fabricación de dispositivos capaces de superar estos límites en la difracción mediante el uso de los así llamados metamateriales, que doblan la luz de formas antinaturales, o bien utilizando rejillas de metal a nanoescala, que capturan la luz a través de una serie de interacciones en la superficie. Las nuevas lentes, desarrolladas por investigadores en la Universidad Pohang de Ciencia y Tecnología en Corea, supera los límites de la difracción gracias a su tamaño. Las lentes son planas por un lado y esféricas por el otro, y varían en cuanto a diámetro entre 50 nanómetros y 3 micrómetros.

El tamaño de cada lente se encuentra en la misma escala de longitud que la longitud de onda de la luz con la que interactúa, lo que significa que “las ópticas habituales no tienen cabida,” afirma Chee Wei Wong, director del Laboratorio de Nanoestructuras Ópticas de la Universidad de Columbia en Nueva York, que colaboró en la evaluación del rendimiento de las lentes. Además, es la primera vez que se ponen a prueba las propiedades de unas lentes esféricas tan pequeñas como éstas, señala Kwang Kim, director del Centro de Materiales Superfuncionales de la Universidad de Pohang, y que dirigió el proyecto. “Es la primera vez que disponemos de una lente a nanoescala ideal,” afirma Kim.

El equipo de Kim fabrica las diminutas lentes esféricas mediante la evaporación de una solución que contiene una serie de moléculas orgánicas con forma de taza. En primer lugar, las moléculas, que están basadas en anillos de carbono, se disuelven en un disolvente orgánico; después se añade agua, y se deja que la solución se evapore lentamente. Durante el proceso de evaporación, las moléculas orgánicas forman unos nanotubos cristalinos que son lo que acaban formando las lentes. Al cambiar la temperatura y el ritmo de evaporación, afirma Kim, es posible controlar las dimensiones finales de las lentes. Una vez que las lentes se han formado, son estables. El trabajo se describe en un estudio publicado hoy en la revista Nature.

“Han descubierto un buen método para fabricar lentes,” afirma Nicholas Fang, profesor asistente de ciencia e ingeniería mecánica en la Universidad de Illinois, en Urbana-Champaign. Las lentes esféricas normalmente se fabrican mediante litografía en múltiples pasos, para crear un molde que después se cubre con polímeros y se calienta, afirma. El índice de refracción de las nanolentes—la forma en que la velocidad de la luz cambia al pasar a través de ellas—es también impresionante, afirma Fang.

Para poder examinar las propiedades de las lentes, los investigadores coreanos las manipularon mediante el uso de una punta de un microscopio de fuerza atómica, colocándolas en varias superficies para obtener imágenes o litografía. Para demostrar que se podían obtener imágenes más allá del límite de defracción, las lentes se utilizaron en junto a un microscopio óptico para observar un chip con barras metálicas separadas a una distancia de 220 nanómetros. Sin las lentes, el microscopio, con una resolución limitada a unos 320 nanómetros, no pudo distinguir las mismas barras. Los estudios posteriores mostraron que las lentes se pudieron usar para ampliar objetos unas 2,5 veces. Y cuando las lentes se utilizaron para enfocar luz ultravioleta para su uso en litografía, fueron capaces de distinguir puntos de hasta 100 nanómetros al aire libre (el límite normal de unos 192 nanómetros).

Las lentes también funcionan bien con la luz casi infrarroja, que se utiliza en telecomunicaciones. Los detectores de luz infrarroja normalmente no son tan sensibles como los que se usan con otras longitudes de onda, afirma Wong desde Columbia. Para demostrar la sensibilidad de las lentes en este rango, el equipo coreano colocó una lente encima de una nanopartícula emisora de luz casi infrarroja denominada como punto cuántico, con lo que se demostró una mejora en la capacidad de detección.

Una limitación de estas nanolentes, así como de otras superlentes, es que sólo funcionan en lo que se conoce como casi campo. Es decir, sólo pueden enfocar luz o recoger luz de aquellos objetos que se encuentran a un distancia física extremadamente cercana, y se debe colocar encima de la superficie o sostenerse a sólo nanómetros de distancia. Habrá que solucionar este problema antes de que las nanolentes se puedan convertir en dispositivos prácticos.