Atomiskt tunna och justerbara platta linser. a, Schematisk över den föreslagna WS2 -zonplattelinsen i en elektrokemisk cell. Tidsvarierande jon-vätske-grindspänningar resulterar i en modulering av fokuseringseffektiviteten genom att släcka excitonresonanser. b, Schematisk över arbetsprincipen för jon-flytande grind inuti en elektrokemisk cell. Laddade molekyler screenar den coulombiska potentialen hos den dopade WS2/grafen -heterostrukturen och Au -referensdynan. c, Optisk mikroskopbild av mitten av en tillverkad lins (höger) och det designade WS2 -mönstret överlagrat (vänster, ljusskuggade områden). Insats:x – y -skanning av fokus bildades ungefär 2 mm ovanför den mönstrade ytan (λ =620 nm). d, x – z -skanning av den fokuserade strålen (λ =620 nm). Tvärsnitt av den normaliserade intensiteten längs z-axeln för den fokuserade strålen och x-axeln (för z =1, 993 µm) visas också i godtyckliga enheter (a.u.). e, Spridd fältintensitet (λ =620 nm) bakom en 20 µm-diameterplattelins med en brännvidd f =10 µm på safir (log10färgskala). Upphovsman:Nature Photonics, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
Sedan utvecklingen av diffraktiva optiska element på 1970 -talet har forskare har alltmer avslöjat sofistikerade grundläggande principer för optik för att ersätta de befintliga skrymmande optiska elementen med tunna och lätta motsvarigheter. Försöken har nyligen resulterat i nanofotoniska metasytor som innehåller platt optik gjord av täta uppsättningar av metall eller halvledarnanostrukturer. Sådana strukturer kan effektivt styra den lokala ljusspridningsfasen och amplituden baserat på plasmoniska eller Mie -resonanser. Forskare har studerat de två typerna av resonanser för att realisera optik med liten formfaktor som levererar multifunktionalitet och kontroll över ljusfältet. Även om sådana meta -ytfunktioner har förblivit statiska, det är mycket önskvärt att uppnå dynamisk kontroll för framväxande fotoniska applikationer såsom ljusriktning och intervall (LIDAR) för tredimensionell (3-D) kartläggning. Plasmoniska och Mie -resonanser erbjuder bara svag elektrisk avstämning, men årtionden av forskning om optisk modulering beskriver att exciton -manipulation är starkare för att kontrollera optiska egenskaper hos ett material.
Den kritiska roll som excitoner kan spela under optisk vågfrontmanipulation återstår att förstå och demonstrera med atomtunna optiska element. I en ny studie nu publicerad på Nature Photonics , Jorik van de Groep och ett team av forskare inom avancerade material vid Stanford University och College of Optics and Photonics vid University of Central Florida, USA konstruerade ett atomtunt optiskt element som kan styras aktivt. De huggade substratet direkt från ett monoskikt av volframdisulfid (WS 2 ). Materialet visade stark excitonisk resonans i det synliga spektralområdet. Istället för det typiska tillvägagångssättet för att konstruera storleken och formen på geometriskt resonanta antenner, laget designade metasytorna gjorda av 2-dimensionella (2-D) excitoniska material genom att modifiera materialets resonans. Genom att optimera arrangemanget av 2-D-material, de uppnådde specifika optiska funktioner-för att realisera resonanta och avstämbara ljus-materia-interaktioner.
Elektrokemisk celllayout. (a), Schematisk tvärsnitt av den elektrokemiska cellen tillverkad ovanpå provet, tätning av den joniska vätskan (DEME-TFSI) inuti. (b), Fotografi av 1 × 1 cm2 safirunderlag med 12 kontaktade zonplattelinser och färdig elektrokemisk cell. Provet monteras på ett specialtillverkat kretskort som Au-kontaktdynorna är trådbundna till. (c), Zoomat bild av arbetsprincipen för jon-flytande grind. Laddade molekyler screenar den coulombiska potentialen hos den dopade WS2/Gr -heterostrukturen och Au -referensdynan. Upphovsman:Nature Photonics, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
Avstämbar lins med atomiskt tunn zon
För att lyfta fram vikten av excitonresonanser i driften av den platta linsen, laget tittade på ringarna i WS 2 som källor till spridda fält, drivs av en infallande planvåg. De lokalt genererade spridda fälten var proportionella mot polarisationen av WS 2 material, forskarna förväntade sig den starkaste spridningen nära excitonresonansen, där omfattningen av komplex elektrisk känslighet (betecknad x) var störst. Den experimentella uppsättningen uppnådde betydligt högre fokuseringseffektivitet med exfolierade material av högre kvalitet där excitonlinjebredden minskades avsevärt.
Även om denna lins var praktiskt taget osynlig för det mänskliga ögat för icke-resonanta våglängder, det kan fånga viktig information från sin omgivning för att intensiteten i fokus att överstiga intensiteten av den infallande planvågen. Spektralberoende av fokuseringseffektiviteten berodde på WS:s komplexa materialkänslighet 2 monoskikt. Forskarna kunde inte experimentellt isolera det spridda fältet, men de samlade det svagt spridda ljuset från ett stort område för att bestämma fokalintensiteten för de experimentella zonplattorna för att vara hög och till stor del baserad på WS 2 material.
Materialkänslighet och fokuseringseffektivitet. (a), Fasritning av den komplexa känsligheten för WS2. De vita prickarna och siffrorna indikerar motsvarande våglängder. A och B hänvisar till excitonresonanserna. (b), Absolut värde (överst) och fasvinkel (botten) för materialets känslighet. (c), Simulerat fokuseffektivitetsspektrum för det spridda ljuset för 20-µm-diameterplattelinsen. Upphovsman:Nature Photonics, doi:10.1038/s41566-020-0624-y 
Teamet kontrollerade linsens fokuseringseffektivitet genom att ändra excitonresonansen hos WS 2 material som använder elektrisk grind. För detta, de analyserade de inducerade reflektivitetsförändringarna från en enkel 20 x 20 µm 2 kvadratisk lapp isolerad från monoskikt WS 2, som en funktion av den applicerade grindspänningen. De observerade ett fullständigt avlägsnande av de excitoniska resonanserna för att producera en av de största möjliga förändringarna i känsligheten. Denna excitonundertryckning var också helt reversibel och mycket reproducerbar. Observationerna belyste fördelarna med excitoniska resonanser jämfört med plasmoniska och Mie-typresonanser som är både svårare att justera och undertrycka.
Forskarna utnyttjade sedan den stora avstämningen av excitonresonanserna för att styra intensiteten i linsens brännpunkt. De mätte experimentellt effekten i fokus som en funktion av våglängden normaliserad till effekten som infaller på zonplattelinsen för att förstå fokuseringseffektivitetsspektrumet. Resultaten indikerade att fokuserad excitonisk ljusspridning dominerade den direkta substratöverföringen. När laget applicerade en 3-volts gate-bias på WS 2 /grafen heterostruktur för att undertrycka excitonresonansen, de observerade full undertryckande av den asymmetriska excitoniska linjen. Använd sedan reversibel omkoppling av excitonresonansen, de återställde det neutrala resonansläget.
Exciton-manipulation genom jonisk-flytande gating. (a), Reflektivitetsspektra för en 20 × 20 µm2 isolerad patch av WS2 för Vg =0 V (blå) och gated vid Vg =3 V (n-dopning, röd). Insats:optisk mikroskopbild av patch -enheten. WS2 mellan de streckade linjerna tas bort, isolera det inre WS2 -området. Skala, 20 µm. (b), Reflektivitetsspektra medan du cyklar mellan det neutrala (blå) och dopade tillståndet (rött) som visar hög reproducerbarhet. Sekventiellt erhållna spektra förskjuts för klarhet, enligt den grå pilen. Upphovsman:Nature Photonics, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
Resultaten överensstämde med observationen av minskning av linjebredden i reflektionsmätningar på lappar. Den uppmätta fokuseringseffektiviteten var relativt låg och begränsad på grund av den relativt låga materialkvaliteten hos det kommersiella WS 2 . Till exempel, inkapslade monoskikt av hög kvalitet av små flingor molybden -diselenid (MOSe 2 ) kan uppnå en optisk reflektans på upp till 80 procent. Forskare kan därför förbättra den stora ytan av högkvalitativa monoskiktsövergångsmetalldikalkogenider (TMDC) som WS 2 att kraftigt öka fokuseringseffektiviteten.
Forskargruppen genomförde rumstemperatur, aktiv stor manipulation av excitonresonansen för att demonstrera dynamisk ljusintensitetskontroll i fokus för 2-D-materialzonplattlinsen. De växlade reproducerbart mellan de exciton-dominerade och exciton-släckta tillstånden för att uppnå aktiv kontroll på den excitoniska ljusspridningsamplituden. Svarstiden och asymmetrin i installationen berodde på jontransport begränsad komplex bildning och på grund av demontering av det joniska-flytande elektriska dubbelskiktet. Som ett resultat, forskarna föreslår att implementera grindsystem för solid-state istället för jon-flytande grindar för att öka enhetens svarstid med storleksordningar, som för närvarande är begränsad på grund av tillverkningsutmaningar.
Exciton -modulering av intensiteten i fokus. (a), Fokuseringseffektivitetsspektra för zonplattelinsen i orörd (röd, Vg =0 V), gated (blå, Vg =3 V) och återställt tillstånd (grått, Vg =0 V). Det skuggade området indikerar felfältet som motsvarar en standardavvikelse. Trianglarna vid bottenaxeln och streckade linjer anger våglängderna som används för b. (b), Intensitet i fokus som funktion av tiden för λ =605 nm (blå, topp), för λ =615 nm (röd, mitten) och för λ =625 nm (grå, botten) medan Vg växlar mellan 0 V (vit bakgrund) och 3 V (röd bakgrund). (c), Tidsspår av stigning (vänster) och fall (höger) av brännvidd för λ =625 nm. Motsvarande stig- och falltider erhållna från en passform (röd) visas också. Upphovsman:Nature Photonics, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
På det här sättet, Jorik van de Groep och kollegor visade vikten av excitoniska materialresonanser för att använda atomtunna optiska linser. De föreställer sig att mer avancerade grindscheman med lokala och sammanflätade grindelektroder kommer att underlätta excitoniska optiska enheter med mer komplexa funktioner som avstämbara brännvidden eller strålstyrning. Arbetet öppnar ett helt nytt tillvägagångssätt för att designa dynamisk platt optik och metasytor för applikationer i fristående strålning, vågfrontmanipulation och i augmented/virtual reality.
© 2020 Science X Network
