Cientistas criam a lente mais fina da Terra, habilitada por excitons
Crédito:Nano Letras (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00694 As lentes são usadas para dobrar e focar a luz. As lentes normais dependem da sua forma curva para alcançar este efeito, mas físicos da Universidade de Amesterdão e da Universidade de Stanford criaram uma lente plana com apenas três átomos de espessura que se baseia em efeitos quânticos. Esse tipo de lente poderá ser usado em futuros óculos de realidade aumentada.
As lentes de vidro curvo funcionam porque a luz é refratada (dobrada) quando entra no vidro e novamente quando sai, fazendo com que as coisas pareçam maiores ou mais próximas do que realmente são. As pessoas usam lentes curvas há mais de dois milênios para estudar os movimentos de planetas e estrelas distantes, para revelar pequenos microorganismos e para melhorar a visão.
Ludovico Guarneri, Thomas Bauer e Jorik van de Groep, da Universidade de Amsterdã, juntamente com colegas da Universidade de Stanford, na Califórnia, adotaram uma abordagem diferente. Usando uma única camada de um material exclusivo chamado dissulfeto de tungstênio (WS2 para resumir), eles construíram uma lente plana com meio milímetro de largura, mas apenas 0,0000006 milímetros, ou 0,6 nanômetros, de espessura. Isso a torna a lente mais fina da Terra.
Em vez de depender de um formato curvo, a lente é feita de anéis concêntricos de WS2 com lacunas entre eles. Isso é chamado de "lente Fresnel" ou "lente de placa de zona" e focaliza a luz usando difração em vez de refração. O tamanho e a distância entre os anéis (em comparação com o comprimento de onda da luz que os atinge) determinam a distância focal da lente. O design usado aqui foca a luz vermelha a 1 mm da lente.
O trabalho está publicado na revista Nano Letters .
Aprimoramento quântico
Uma característica única desta lente é que sua eficiência de foco depende de efeitos quânticos dentro de WS2 . Esses efeitos permitem que o material absorva e reemita luz com eficiência em comprimentos de onda específicos, dando à lente a capacidade integrada de funcionar melhor nesses comprimentos de onda.
Este aprimoramento quântico funciona da seguinte maneira. Primeiro, WS2 absorve luz enviando um elétron para um nível de energia mais alto. Devido à estrutura ultrafina do material, o elétron com carga negativa e o "buraco" com carga positiva que ele deixa na rede atômica permanecem unidos pela atração eletrostática entre eles, formando o que é conhecido como "exciton".
Esses excitons desaparecem rapidamente novamente quando o elétron e o buraco se fundem e enviam luz. Esta luz reemitida contribui para a eficiência da lente.
Os cientistas detectaram um pico claro na eficiência da lente para os comprimentos de onda específicos da luz enviada pelos excitons. Embora o efeito já seja observado em temperatura ambiente, as lentes são ainda mais eficientes quando resfriadas. Isso ocorre porque os excitons funcionam melhor em temperaturas mais baixas.
Realidade aumentada
Outra característica exclusiva da lente é que, embora parte da luz que passa por ela forma um ponto focal brilhante, a maior parte da luz passa sem ser afetada. Embora isto possa parecer uma desvantagem, na verdade abre novas portas para uso na tecnologia do futuro.
“A lente pode ser usada em aplicações onde a visão através da lente não deve ser perturbada, mas uma pequena parte da luz pode ser aproveitada para coletar informações. Isso a torna perfeita para óculos vestíveis, como para realidade aumentada”, explica Jorik van. de Groep, um dos autores do artigo.
Os pesquisadores estão agora focados em projetar e testar revestimentos ópticos mais complexos e multifuncionais, cuja função (como focar a luz) pode ser ajustada eletricamente.
“Os excitons são muito sensíveis à densidade de carga do material e, portanto, podemos alterar o índice de refração do material aplicando uma voltagem”, diz Van de Groep.
