Forskere skaber den tyndeste linse på Jorden, aktiveret af excitoner

Linser bruges til at bøje og fokusere lys. Normale linser er afhængige af deres buede form for at opnå denne effekt, men fysikere fra University of Amsterdam og Stanford University har lavet en flad linse på kun tre atomer tyk, der er afhængig af kvanteeffekter. Denne type linse kan bruges i fremtidige augmented reality-briller.

Buede glaslinser virker, fordi lys brydes (bøjes), når det kommer ind i glasset, og igen når det kommer ud, hvilket får tingene til at se større eller tættere ud, end de faktisk er. Folk har brugt buede linser i mere end to årtusinder til at studere fjerne planeters og stjerners bevægelser, for at afsløre små mikroorganismer og for at forbedre synet.

Ludovico Guarneri, Thomas Bauer og Jorik van de Groep fra University of Amsterdam tog sammen med kolleger fra Stanford University i Californien en anden tilgang. Brug af et enkelt lag af et unikt materiale kaldet wolframdisulfid (WS₂ kort sagt), konstruerede de en flad linse, der er en halv millimeter bred, men kun 0,0000006 millimeter eller 0,6 nanometer tyk. Dette gør den til den tyndeste linse på Jorden.

I stedet for at stole på en buet form er linsen lavet af koncentriske ringe af WS₂ med mellemrum imellem. Dette kaldes en "Fresnel-linse" eller "zonepladelinse", og den fokuserer lys ved hjælp af diffraktion i stedet for brydning. Størrelsen af ​​og afstanden mellem ringene (sammenlignet med bølgelængden af ​​lyset, der rammer den) bestemmer objektivets brændvidde. Designet, der bruges her, fokuserer rødt lys 1 mm fra linsen.

Værket er publiceret i tidsskriftet Nano Letters .

Kvanteforbedring

En unik egenskab ved denne linse er, at dens fokuseringseffektivitet er afhængig af kvanteeffekter inden for WS₂ . Disse effekter gør det muligt for materialet effektivt at absorbere og genudsende lys ved specifikke bølgelængder, hvilket giver linsen den indbyggede evne til at fungere bedre for disse bølgelængder.

Denne kvanteforbedring fungerer som følger. Først WS₂ absorberer lys ved at sende en elektron til et højere energiniveau. På grund af materialets ultratynde struktur forbliver den negativt ladede elektron og det positivt ladede "hul", den efterlader i atomgitteret, bundet sammen af ​​den elektrostatiske tiltrækning mellem dem og danner det, der er kendt som en "exciton".

Disse excitoner forsvinder hurtigt igen ved at elektronen og hullet smelter sammen og sender lys ud. Dette genudsendte lys bidrager til objektivets effektivitet.

Forskerne opdagede en klar top i linsens effektivitet for de specifikke bølgelængder af lys, der udsendes af excitonerne. Mens effekten allerede observeres ved stuetemperatur, er linserne endnu mere effektive, når de køles ned. Dette skyldes, at excitoner gør deres arbejde bedre ved lavere temperaturer.

Augmented reality

En anden af ​​objektivets unikke egenskaber er, at mens noget af lyset, der passerer gennem det, danner et lyst fokuspunkt, passerer det meste lys upåvirket igennem. Selvom dette kan lyde som en ulempe, åbner det faktisk nye døre til brug i fremtidens teknologi.

"Linsen kan bruges i applikationer, hvor udsynet gennem linsen ikke skal forstyrres, men en lille del af lyset kan aflyttes for at indsamle information. Det gør det perfekt til bærbare briller såsom til augmented reality," forklarer Jorik van. de Groep, en af ​​avisens forfattere.

Forskerne retter nu blikket mod at designe og teste mere komplekse og multifunktionelle optiske belægninger, hvis funktion (såsom fokusering af lys) kan justeres elektrisk.

"Excitoner er meget følsomme over for ladningstætheden i materialet, og derfor kan vi ændre materialets brydningsindeks ved at påføre en spænding," siger Van de Groep.

Flere oplysninger: Ludovica Guarneri et al., Temperaturafhængig eksitonisk lysmanipulation med atomisk tynde optiske elementer, nanobogstaver (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00694

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af University of Amsterdam