Gebogen glazen lenzen werken omdat licht wordt gebroken (gebogen) wanneer het het glas binnenkomt, en opnieuw wanneer het het glas verlaat, waardoor dingen groter of dichterbij lijken dan ze in werkelijkheid zijn. Mensen gebruiken al meer dan twee millennia gebogen lenzen om de bewegingen van verre planeten en sterren te bestuderen, om kleine micro-organismen te onthullen en om het gezichtsvermogen te verbeteren.

Ludovico Guarneri, Thomas Bauer en Jorik van de Groep van de Universiteit van Amsterdam kozen samen met collega's van Stanford University in Californië voor een andere aanpak. Door gebruik te maken van een enkele laag van een uniek materiaal genaamd wolfraamdisulfide (WS₂ Kortom), ze construeerden een platte lens die een halve millimeter breed is, maar slechts 0,0000006 millimeter, of 0,6 nanometer, dik. Dit maakt het de dunste lens op aarde.

In plaats van te vertrouwen op een gebogen vorm, is de lens gemaakt van concentrische ringen van WS₂ met gaten ertussen. Dit wordt een "Fresnel-lens" of "zoneplaatlens" genoemd en focust licht met behulp van diffractie in plaats van breking. De grootte van en de afstand tussen de ringen (vergeleken met de golflengte van het licht dat erop valt) bepalen de brandpuntsafstand van de lens. Het hier gebruikte ontwerp focust rood licht op 1 mm van de lens.

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters .

Kwantumverbetering

Een uniek kenmerk van deze lens is dat de focusefficiëntie afhankelijk is van kwantumeffecten binnen WS₂ . Door deze effecten kan het materiaal op specifieke golflengten efficiënt licht absorberen en opnieuw uitzenden, waardoor de lens het ingebouwde vermogen heeft om beter te werken voor deze golflengten.

Deze kwantumverbetering werkt als volgt. Ten eerste WS₂ absorbeert licht door een elektron naar een hoger energieniveau te sturen. Vanwege de ultradunne structuur van het materiaal blijven het negatief geladen elektron en het positief geladen 'gat' dat het achterlaat in het atoomrooster met elkaar verbonden door de elektrostatische aantrekkingskracht tussen hen, en vormen zo een zogenaamde 'exciton'. /P>

Deze excitonen verdwijnen snel weer doordat het elektron en het gat samensmelten en licht uitzenden. Dit opnieuw uitgezonden licht draagt ​​bij aan de efficiëntie van de lens.

De wetenschappers ontdekten een duidelijke piek in de lensefficiëntie voor de specifieke golflengten van het licht dat door de excitonen werd uitgezonden. Hoewel het effect al bij kamertemperatuur wordt waargenomen, zijn de lenzen nog efficiënter wanneer ze zijn afgekoeld. Dit komt omdat excitonen hun werk beter doen bij lagere temperaturen.

Vergrote realiteit

Een ander uniek kenmerk van de lens is dat, hoewel een deel van het licht dat erdoorheen gaat een helder brandpunt vormt, het meeste licht er onaangetast doorheen gaat. Hoewel dit misschien als een nadeel klinkt, opent het feitelijk nieuwe deuren voor gebruik in de technologie van de toekomst.

"De lens kan gebruikt worden in toepassingen waarbij het zicht door de lens niet verstoord mag worden, maar wel een klein deel van het licht afgetapt kan worden om informatie te verzamelen. Dit maakt hem perfect voor draagbare brillen zoals voor augmented reality", legt Jorik van uit. de Groep, een van de auteurs van het artikel.

De onderzoekers richten hun blik nu op het ontwerpen en testen van complexere en multifunctionele optische coatings waarvan de functie (zoals het focusseren van licht) elektrisch kan worden aangepast.

"Excitonen zijn erg gevoelig voor de ladingsdichtheid in het materiaal en daarom kunnen we de brekingsindex van het materiaal veranderen door er een spanning op aan te leggen", zegt Van de Groep.

Meer informatie: Ludovica Guarneri et al, Temperatuurafhankelijke excitonische lichtmanipulatie met atomair dunne optische elementen, Nanoletters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00694

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door Universiteit van Amsterdam