إن العدسات فائقة الرقة المصممة بالكمبيوتر من مواد نانوية و"مطبوعة" بتقنية ثلاثية الأبعاد قد تلغي الحاجة إلى عدسات متعددة تشغل مساحة كبيرة.
سيتم "طباعة" عدسات الكاميرا أو المجهر في المستقبل بطابعات ثلاثية الأبعاد متقدمة، وستكون أرق بكثير وأكثر دقة من العدسات المتوفرة اليوم. دراسة مشتركة أجريت في معهد وايزمان وجامعة تل أبيب، ونشرت مؤخرا في المجلة العلمية طبيعة الاتصالاتيصف العدسات فائقة الرقة المصممة بأقصى قدر من الدقة والمصنوعة من مواد متناهية الصغر. ستتكون هذه العدسات من عدة طبقات منفصلة من المواد النانوية، وقد تلغي الحاجة الحالية للعدسات متعددة العناصر واستبدالها بجهاز بصري رقيق.
لمئات السنين، تم تحديد خصائص العدسات والأدوار التي تلعبها من خلال التحكم في سمك المادة (الزجاج) وانحناءها. وفي وقت لاحق، تم تحسين قدراتها بشكل أكبر بفضل الجمع بين عدة عدسات في مكون بصري واحد. ومع ذلك، في مختبر البروفيسور. ياخيم بريوروفي قسم الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان، فإن المكونات البصرية، بما في ذلك العدسات، مختلفة تمامًا. وبدلاً من أن تكون محدبة، فإنها تعتمد على "الأسطح الفوقية" - وهي مواد تحتوي على هياكل نانوية تغير واحدة أو أكثر من خصائص الضوء. تم تصميم المكونات بمساعدة خوارزميات الكمبيوتر، وتم تصنيعها بأقصى قدر من الدقة بدقة نانومترية. ومن خلال تغيير تركيب هذه الهياكل النانومترية وشكلها وزاويتها وموضعها، تعلم الباحثون كيفية ثني وتشكيل موجات الضوء وفقًا لمواصفات دقيقة.
ويوضح بريور أنه بمساعدة الأسطح الفوقية، من الممكن "اللعب" بمعلمات مختلفة للضوء. "عندما تغير العدسات خصائص موجات الضوء، فإنها تؤثر على ميزة نادرًا ما يتم التعامل معها - وهي حدوث (مرحلة)، أو توقيت الموجات. في العدسات البصرية القياسية، ينتج الخلل المعروف باسم الانحراف اللوني عن حقيقة أن حدوث موجات الضوء المختلفة يتم تثبيطها بشكل غير متساو. عندما يكون هناك تشويه لوني، تغير العدسة مظهرها بشكل مختلف بالنسبة للألوان المختلفة، ونتيجة لذلك تنتقل نقطة تركيز اللون الأزرق، وهي الموجات القصيرة، من نقطة تركيز اللون الأحمر، أي من الموجات الأطول ( يعمل المنشور وقوس قزح وفقًا لمبدأ مماثل). ولتعويض هذا الانحراف، حتى في أبسط الأجهزة، تتكون العدسات من عناصر مختلفة، لكل منها تركيز مختلف قليلاً، وذلك بهدف تصحيح انحراف لون واحد في الصورة. "يمكن العثور على ما يصل إلى 13 عنصرًا في المجهر أو جهاز العرض. يقول البروفيسور بريور: "حتى الهاتف الخليوي سيكون به سبعة، لأنه بدونهم، ستكون الصور ضبابية".
لاحظ البروفيسور بريور وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور إقليدس ألميدا أنه يمكن استخدام الأسطح الفوقية التي كانوا يعملون بها لإنشاء عدسة واحدة ذات تصحيح لوني. كانت نقطة البداية في أبحاثهم مبنية على حقيقة أن المستقبلات الموجودة في أعيننا مهيأة لاستقبال ثلاثة أطوال موجية، وبالتالي فإن عالم الألوان الرقمي بأكمله يعتمد على تركيب ثلاثة ألوان - الأحمر والأخضر والأزرق (الثالوث المعروف باسم RGB). هذا الثالوث هو أساس العالم المرئي الإلكتروني: تقوم وحدات البكسل بتوصيل مكونات RGB معًا بنسب مختلفة لإعادة إنشاء وهم طيف الألوان الكامل. وفي ضوء ذلك، قرر العلماء تطوير عدسات ثلاثية الطبقات، تحتوي كل منها على معدن يتكيف لتركيز طول موجي معين من الضوء - الذهب للأحمر، والفضة للأخضر، والألومنيوم للأزرق. وقد توصلوا بالتعاون مع البروفيسور تال ألينبوجن وأوري أبايو، من جامعة تل أبيب، إلى أفضل طريقة لتنظيم وإنتاج مصفوفات من آلاف الأقراص المعدنية النانومترية في طبقات رقيقة، وتم تصميم كل طبقة على حدة.
تم إنتاج العدسات متعددة الطبقات باستخدام تقنية الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون في الغرفة النظيفة بقسم البنى التحتية للأبحاث الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم، بمساعدة الدكتورة أورا بيتون. وفي النهاية، تمكن الفريق من الوصول إلى دقة نسبية في الطبقات الثلاث - أقل من 10 نانومتر - وهو إنجاز استثنائي قد يؤدي إلى تطبيقات تتطلب دقة عالية جدًا. يقول بريور: "لم يكن تعلم كيفية طباعة العدسات في طبقات أمرًا بسيطًا". "بعد أن تمكنا من تحسين المواد التي عملنا بها لكل لون، وفهم كيفية تخطيط الطبقات، جاء الجزء السهل: التأكد من ترتيب النقاط المحورية لكل طبقة بشكل صحيح."
يتضمن العمل في الفحص المجهري STED استخدام طاولة بصرية بحجم مختبر كامل، ولكن في المستقبل، قد يكون من الممكن استبدال الإعداد التجريبي بأكمله بعدسة واحدة بسمك ميكرون واحد. وبطبيعة الحال، فإن بحثنا ليس سوى خطوة أولية في هذا الاتجاه
قد يكون التطبيق المستقبلي المثير لهذه التقنية بشكل خاص في مجهر عالي الدقة، وذلك باستخدام طريقة مجهرية تسمى استنفاد الانبعاثات المحفزة (STED). تم إنشاء هذه الطريقة، التي حاز مخترعها على جائزة نوبل في عام 2014، للتغلب على القيود المفروضة على دقة الفحص المجهري للضوء التقليدي - لا يمكن تركيز الضوء إلى نقطة أصغر من الطول الموجي للضوء، والذي يبلغ حوالي ميكرون واحد. "إن طريقة STED،" يشرح بريور، "يستخدم خدعة بصرية لطيفة. عادة، تحتاج العينة بأكملها إلى الإثارة باستخدام ليزر من لون واحد، ثم ينبعث منها قدر معين من الضوء. وفي الخطوة التالية، يتم تخفيف هذا الانبعاث، على سبيل المثال من خلال تسليط ضوء على شكل حلقة قادم من ليزر بلون مختلف، ومن ثم يتم إنشاء شكل دائري حول الجزء الذي تريد التركيز عليه. في هذه المرحلة، يتم "تشديد" حلقة الحجب حتى يتم الوصول إلى الدقة المطلوبة."
ويفترض الباحثون أن العدسات ذات الطبقات قد تجعل العملية أكثر سهولة: "لقد وجدنا أنه من الممكن إنتاج توزيع للضوء بحيث يقوم لونان بوظيفتين مختلفتين. ولتوضيح الفكرة، استخدمنا صورة نقطة خضراء داخل كعكة دونات حمراء. يضيف ألميدا: "في الوقت الحالي، يتضمن العمل في الفحص المجهري STED استخدام طاولة بصرية بحجم مختبر كامل، ولكن في المستقبل، قد يكون من الممكن استبدال الإعداد التجريبي بأكمله بعدسة واحدة بسمك ميكرون واحد. وبطبيعة الحال، فإن بحثنا ليس سوى خطوة أولية في هذا الاتجاه."
يوضح بريور أنه على الرغم من تعقيدها، إلا أن هذه التقنية تعمل من حيث المبدأ - على غرار الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث يتم إنتاج الأشياء طبقة بعد طبقة. وقال: «نحن بالفعل نصمم عدسات أو عناصر بصرية أخرى بمساعدة الخوارزميات التي تعد نسخًا متطورة من الطباعة ثلاثية الأبعاد. الجلوس أمام الكمبيوتر والتخطيط ثم النزول إلى الغرفة النظيفة لإنتاجها. إن الدقة والأشياء التي تمكنا من القيام بها بهذه العدسات لا يمكن إلا أن تتحسن."
