Inom optik, eran av glaslinser kan vara på väg att avta.

På senare år har fysiker och ingenjörer har designat, konstruera och testa olika typer av ultratunna material som skulle kunna ersätta de tjocka glaslinser som används idag i kameror och bildsystem. Kritiskt, dessa konstruerade linser – kända som metalenses – är inte gjorda av glas. Istället, de består av material konstruerade i nanoskala till rader av kolumner eller fenliknande strukturer. Dessa formationer kan interagera med inkommande ljus, riktar den mot en enda brännpunkt för avbildningsändamål.

Men även om metallen är mycket tunnare än glaslinser, de förlitar sig fortfarande på strukturer med "högt bildförhållande", där pelaren eller fenliknande strukturer är mycket högre än de är breda, vilket gör dem benägna att kollapsa och ramla omkull. Vidare, dessa strukturer har alltid varit nära våglängden av ljus som de interagerar med i tjocklek – fram till nu.

I en artikel publicerad 8 oktober i tidskriften Nanobokstäver , ett team från University of Washington och National Tsing Hua University i Taiwan tillkännagav att de har konstruerat funktionella metalenser som är en tiondel till hälften av tjockleken av ljusets våglängder som de fokuserar. Deras metaller, som konstruerades av skiktade 2D-material, var så tunna som 190 nanometer – mindre än 1/100, 000-delar av en tum tjock.

"Det här är första gången som någon har visat att det är möjligt att skapa en metalens av 2D-material, " sa senior och medkorresponerande författare Arka Majumdar, en UW biträdande professor i fysik och i elektro- och datateknik.

Deras designprinciper kan användas för att skapa metallener med mer komplexa, inställbara funktioner, tillade Majumdar, som också är fakultetsforskare vid UW:s Molecular Engineering &Sciences Institute.

Majumdars team har studerat designprinciperna för metalenses i flera år, och tidigare konstruerade metalenses för fullfärgsbilder. Men utmaningen i detta projekt var att övervinna en inneboende designbegränsning i metalenser:för att ett metalensmaterial ska kunna interagera med ljus och uppnå optimal bildkvalitet, materialet måste ha ungefär samma tjocklek som ljusets våglängd i det materialet. I matematiska termer, denna begränsning säkerställer att ett fullständigt noll till två-pi fasskiftningsområde är möjligt, vilket garanterar att alla optiska element kan utformas. Till exempel, en metalens för en 500 nanometer ljusvåg – som i det visuella spektrumet är grönt ljus – skulle behöva vara cirka 500 nanometer i tjocklek, även om denna tjocklek kan minska när materialets brytningsindex ökar.

Majumdar och hans team kunde syntetisera funktionella metalenser som var mycket tunnare än denna teoretiska gräns - en tiondel till en halv våglängd. Först, de konstruerade metalens av ark av skiktade 2-D-material. Teamet använde brett studerade 2D-material som hexagonal bornitrid och molybdendisulfid. Ett enda atomlager av dessa material ger en mycket liten fasförskjutning, olämplig för effektiv linsning. Så laget använde flera lager för att öka tjockleken, även om tjockleken förblev för liten för att nå en fullständig två-pi fasförskjutning.

"Vi var tvungna att börja med att ta reda på vilken typ av design som skulle ge den bästa prestandan med tanke på den ofullständiga fasen, " sa medförfattaren Jiajiu Zheng, en doktorand i el- och datateknik.

För att kompensera för bristen, teamet använde matematiska modeller som ursprungligen formulerades för vätskekristalloptik. Dessa, i samband med metallens strukturella element, gjorde det möjligt för forskarna att uppnå hög effektivitet även om hela fasskiftet inte täcks. De testade metalens effektivitet genom att använda den för att fånga olika testbilder, inklusive av Mona Lisa och en blockbokstav W. Teamet demonstrerade också hur stretching metalens kunde ställa in linsens brännvidd.

Förutom att uppnå ett helt nytt synsätt på metalens design på rekordtunna nivåer, teamet tror att deras experiment visar löftet att göra nya enheter för bildbehandling och optik helt av 2D-material.

"Dessa resultat öppnar upp en helt ny plattform för att studera egenskaperna hos 2D-material, samt att konstruera fullt fungerande nanofotoniska enheter helt gjorda av dessa material, " sade Majumdar. Dessutom, dessa material kan enkelt överföras på vilket underlag som helst, inklusive flexibla material, banar väg mot flexibel fotonik.