Самая тонкая линза в мире имеет толщину всего три атома
Линзы используются для отклонения и фокусировки света. Для достижения этого эффекта у обычных линз есть изогнутая форма, но физики из Университета Амстердама и Стэнфордского университета создали плоскую линзу толщиной всего в три атома, основанную на квантовых эффектах. Этот тип линз может быть использован в будущих очках дополненной реальности.
Когда вы представляете себе линзу, вы, вероятно, думаете про изогнутое стекло. Линзы этого типа работают, потому что свет преломляется (изгибается) при попадании на стекло и снова при выходе из него, позволяя нам казаться объектами больше или ближе, чем они есть на самом деле. Люди используют изогнутые линзы уже более двух тысячелетий, что позволяет изучать движение далеких планет и звезд, выявлять мельчайшие микроорганизмы и улучшать зрение.
Физики из Амстердамского университета вместе с коллегами из Стэнфордского университета в Калифорнии использовали другой подход. Используя один слой уникального материала под названием дисульфид вольфрама (сокращенно WS2), они создали плоскую линзу шириной полмиллиметра и толщиной всего 0,0000006 миллиметра или 0,6 нанометра. Это делает ее самой тонкой линзой в мире!
Вместо того, чтобы полагаться на изогнутую форму, линза состоит из концентрических колец WS2 с промежутками между ними. Это называется «линзой Френеля» или «линзой зональной пластины», и она фокусирует свет, используя дифракцию, а не преломление. Размер и расстояние между кольцами (по сравнению с длиной волны падающего на нее света) определяют фокусное расстояние линзы. Используемая здесь конструкция фокусирует красный свет на расстоянии 1 мм от линзы.
Квантовое улучшение
Уникальной особенностью этой линзы является то, что ее эффективность фокусировки зависит от квантовых эффектов в WS2. Эти эффекты позволяют материалу поглощать и переизлучать свет определенных длин волн, давая линзе встроенную способность лучше работать на этих длинах волн.
Квантовое улучшение работает следующим образом. Сначала WS2 поглощает свет, отправляя электрон на более высокий энергетический уровень. Из-за сверхтонкой структуры материала отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная «дырка», которую он оставляет в атомной решетке, остаются связанными друг с другом электростатическим притяжением между ними, образуя так называемый «экситон».
Далее экситоны снова быстро исчезают, когда электрон и дырка сливаются вместе и испускают свет. Этот переизлученный свет способствует эффективности линзы.
Ученые обнаружили явный пик эффективности линз для определенных длин волн света, излучаемого экситонами. Хотя эффект наблюдается уже при комнатной температуре, при охлаждении линзы становятся еще более эффективными. Это связано с тем, что экситоны лучше выполняют свою работу при более низких температурах.
Дополненная реальность
Еще одна уникальная особенность линзы заключается в том, что, хотя часть света, проходящего через нее, образует яркую фокусную точку, большая часть света проходит через нее без изменений. Хотя это может показаться недостатком, на самом деле это открывает новые двери для использования в технологиях будущего.
«Линзу можно использовать в приложениях, где обзор через линзу не должен мешать, но небольшая часть света может быть использована для сбора информации. Это делает ее идеальной для носимых очков, например, для дополненной реальности», — объясняют ученые.
В настоящее время исследователи нацелены на разработку и тестирование более сложных и многофункциональных оптических покрытий, функции которых (например, фокусировку света) можно регулировать электрически.
Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.