op het gebied van optica, het tijdperk van glazen lenzen kan afnemen.

In recente jaren, natuurkundigen en ingenieurs hebben ontworpen, het construeren en testen van verschillende soorten ultradunne materialen die de dikke glazen lenzen die tegenwoordig in camera's en beeldvormingssystemen worden gebruikt, zouden kunnen vervangen. Kritisch, deze gemanipuleerde lenzen - bekend als metalenses - zijn niet gemaakt van glas. In plaats daarvan, ze bestaan ​​uit materialen die op nanoschaal zijn geconstrueerd in reeksen kolommen of vinachtige structuren. Deze formaties kunnen interageren met binnenkomend licht, het naar een enkel brandpunt leiden voor beeldvormingsdoeleinden.

Maar hoewel metalenses veel dunner zijn dan glazen lenzen, ze vertrouwen nog steeds op structuren met een "hoge aspectverhouding", waarin de kolom of vinachtige structuren veel groter zijn dan breed, waardoor ze vatbaar zijn voor instorten en omvallen. Verder, deze structuren zijn altijd in dikte in de buurt van de golflengte van het licht geweest waarmee ze interageren - tot nu toe.

In een paper gepubliceerd op 8 oktober in het tijdschrift Nano-letters , een team van de Universiteit van Washington en de National Tsing Hua University in Taiwan heeft aangekondigd dat het functionele metalenses heeft geconstrueerd die een tiende tot de helft van de dikte zijn van de golflengten van het licht waarop ze focussen. hun metalenses, die zijn opgebouwd uit gelaagde 2D-materialen, waren zo dun als 190 nanometer - minder dan 1/100, 000ste van een inch dik.

"Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond dat het mogelijk is om metalens te maken van 2D-materialen, " zei senior en co-corresponderende auteur Arka Majumdar, een UW-assistent-professor natuurkunde en elektrotechniek en computertechniek.

Hun ontwerpprincipes kunnen worden gebruikt voor het maken van metalenses met complexere, afstembare functies, voegde Majumdar toe, die tevens facultair onderzoeker is bij het Molecular Engineering &Sciences Institute van de UW.

Het team van Majumdar bestudeert al jaren de ontwerpprincipes van metalenses, en eerder geconstrueerde metalenses voor full-color beeldvorming. Maar de uitdaging in dit project was om een ​​inherente ontwerpbeperking in metalenses te overwinnen:om een ​​metalens-materiaal te laten interageren met licht en een optimale beeldkwaliteit te bereiken, het materiaal moest ongeveer dezelfde dikte hebben als de golflengte van het licht in dat materiaal. In wiskundige termen, deze beperking zorgt ervoor dat een volledig faseverschuivingsbereik van nul tot twee pi haalbaar is, wat garandeert dat elk optisch element kan worden ontworpen. Bijvoorbeeld, een metalens voor een lichtgolf van 500 nanometer - die in het visuele spectrum groen licht is - zou ongeveer 500 nanometer dik moeten zijn, hoewel deze dikte kan afnemen naarmate de brekingsindex van het materiaal toeneemt.

Majumdar en zijn team waren in staat functionele metalenses te synthetiseren die veel dunner waren dan deze theoretische limiet - een tiende tot de helft van de golflengte. Eerst, ze construeerden de metalens uit platen van gelaagde 2D-materialen. Het team gebruikte veel bestudeerde 2D-materialen zoals hexagonaal boornitride en molybdeendisulfide. Een enkele atomaire laag van deze materialen zorgt voor een zeer kleine faseverschuiving, ongeschikt voor efficiënte lenzen. Dus het team gebruikte meerdere lagen om de dikte te vergroten, hoewel de dikte te klein bleef om een ​​volledige faseverschuiving van twee pi te bereiken.

"We moesten beginnen met uitzoeken welk type ontwerp de beste prestaties zou opleveren gezien de onvolledige fase, " zei co-auteur Jiajiu Zheng, een doctoraatsstudent in elektrotechniek en computertechniek.

Om het tekort aan te vullen, het team gebruikte wiskundige modellen die oorspronkelijk waren geformuleerd voor optica met vloeibare kristallen. Deze, in combinatie met de metalens structurele elementen, stelde de onderzoekers in staat een hoge efficiëntie te bereiken, zelfs als de hele faseverschuiving niet wordt gedekt. Ze testten de werkzaamheid van de metalens door het te gebruiken om verschillende testbeelden vast te leggen, waaronder van de Mona Lisa en een blokletter W. Het team demonstreerde ook hoe het uitrekken van de metalens de brandpuntsafstand van de lens kon afstemmen.

Naast het bereiken van een geheel nieuwe benadering van metalens-ontwerp op recorddunne niveaus, het team is van mening dat zijn experimenten de belofte tonen om nieuwe apparaten voor beeldvorming en optica volledig uit 2D-materialen te maken.

"Deze resultaten openen een geheel nieuw platform voor het bestuderen van de eigenschappen van 2D-materialen, evenals het bouwen van volledig functionele nanofotonische apparaten die volledig van deze materialen zijn gemaakt, " zei Majumdar. Bovendien, deze materialen zijn gemakkelijk over te brengen op elke ondergrond, inclusief flexibele materialen, een weg banen naar flexibele fotonica.