Linser används för att böja och fokusera ljus. Normala linser förlitar sig på sin böjda form för att uppnå denna effekt, men fysiker från University of Amsterdam och Stanford University har gjort en platt lins på endast tre atomer tjock som förlitar sig på kvanteffekter. Denna typ av lins kan användas i framtida augmented reality-glasögon.
Böjda glaslinser fungerar eftersom ljuset bryts (böjs) när det kommer in i glaset, och igen när det kommer ut, vilket gör att saker och ting verkar större eller närmare än de faktiskt är. Människor har använt krökta linser i mer än två årtusenden för att studera rörelser av avlägsna planeter och stjärnor, för att avslöja små mikroorganismer och för att förbättra synen.
Ludovico Guarneri, Thomas Bauer och Jorik van de Groep vid University of Amsterdam, tillsammans med kollegor från Stanford University i Kalifornien, tog en annan inställning. Använder ett enda lager av ett unikt material som kallas volframdisulfid (WS2). kort sagt), konstruerade de en platt lins som är en halv millimeter bred, men bara 0,0000006 millimeter, eller 0,6 nanometer, tjock. Detta gör den till den tunnaste linsen på jorden.
Istället för att förlita sig på en böjd form är linsen gjord av koncentriska ringar av WS2 med luckor emellan. Detta kallas en "Fresnel-lins" eller "zonplattans lins", och den fokuserar ljus med diffraktion snarare än refraktion. Storleken på och avståndet mellan ringarna (jämfört med våglängden på ljuset som träffar den) bestämmer linsens brännvidd. Designen som används här fokuserar rött ljus 1 mm från linsen.
Verket publiceras i tidskriften Nano Letters .
En unik egenskap hos detta objektiv är att dess fokuseringseffektivitet är beroende av kvanteffekter inom WS2 . Dessa effekter tillåter materialet att effektivt absorbera och återutsända ljus vid specifika våglängder, vilket ger linsen den inbyggda förmågan att fungera bättre för dessa våglängder.
Denna kvantförbättring fungerar enligt följande. Först, WS2 absorberar ljus genom att skicka en elektron till en högre energinivå. På grund av materialets ultratunna struktur förblir den negativt laddade elektronen och det positivt laddade "hålet" som den lämnar efter sig i atomgittret sammanbundna av den elektrostatiska attraktionen mellan dem och bildar en så kallad "exciton".
Dessa excitoner försvinner snabbt igen genom att elektronen och hålet smälter samman och sänder ut ljus. Detta återutsända ljus bidrar till objektivets effektivitet.
Forskarna upptäckte en tydlig topp i linsens effektivitet för de specifika våglängderna av ljus som skickas ut av excitonerna. Även om effekten redan observeras vid rumstemperatur är linserna ännu mer effektiva när de kyls ner. Detta beror på att excitoner gör sitt arbete bättre vid lägre temperaturer.
En annan av objektivets unika egenskaper är att medan en del av ljuset som passerar genom det gör en ljus brännpunkt, passerar det mesta ljuset genom opåverkat. Även om detta kan låta som en nackdel, öppnar det faktiskt nya dörrar för användning i framtidens teknik.
"Linsen kan användas i applikationer där sikten genom linsen inte ska störas, men en liten del av ljuset kan knackas för att samla in information. Det gör den perfekt för bärbara glasögon som för augmented reality", förklarar Jorik van de Groep, en av författarna till tidningen.
Forskarna siktar nu på att designa och testa mer komplexa och multifunktionella optiska beläggningar vars funktion (som att fokusera ljus) kan justeras elektriskt.
"Excitoner är mycket känsliga för laddningstätheten i materialet, och därför kan vi ändra brytningsindex för materialet genom att applicera en spänning", säger Van de Groep.
Mer information: Ludovica Guarneri et al., Temperaturberoende excitonisk ljusmanipulation med atomiskt tunna optiska element, Nanobokstäver (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00694
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av University of Amsterdam
