Lentes planas atomicamente finas e ajustáveis. uma, Esquema da lente de placa de zona WS2 proposta em uma célula eletroquímica. As tensões de porta de líquido iônico que variam no tempo resultam em uma modulação da eficiência de focalização pela extinção das ressonâncias de excitons. b, Esquema do princípio de funcionamento do gating líquido iônico dentro de uma célula eletroquímica. Moléculas carregadas rastreiam o potencial Coulombic da heteroestrutura dopada WS2 / grafeno e a almofada de referência Au. c, Imagem do microscópio óptico do centro de uma lente fabricada (direita) e o padrão WS2 projetado sobreposto (esquerda, regiões sombreadas claras). Inserção:varredura x – y do foco formado aproximadamente 2 mm acima da superfície padronizada (λ =620 nm). d, varredura x – z do feixe focalizado (λ =620 nm). Cortes transversais da intensidade normalizada ao longo do eixo z do feixe focado e eixo x (para z =1, 993 µm) também são mostrados em unidades arbitrárias (a.u.). e, Intensidade de campo espalhado (λ =620 nm) atrás de uma lente de placa de zona de 20 µm de diâmetro com uma distância focal f =10 µm em safira (escala log10 de cor). Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
Desde o desenvolvimento de elementos ópticos difrativos na década de 1970, os pesquisadores descobriram cada vez mais princípios básicos sofisticados de óptica para substituir os volumosos elementos ópticos existentes por contrapartes finas e leves. As tentativas resultaram recentemente em metassuperfícies nanofotônicas que contêm ópticas planas feitas de matrizes densas de metal ou nanoestruturas semicondutoras. Tais estruturas podem controlar efetivamente a fase e amplitude de espalhamento de luz local com base em ressonâncias plasmônicas ou Mie. Os cientistas estudaram os dois tipos de ressonâncias para realizar a óptica de fator de forma pequeno que oferece multifuncionalidade e controle através do campo de luz. Embora essas funções de metassuperfície tenham permanecido estáticas, é altamente desejável obter controle dinâmico para aplicações fotônicas emergentes, como direção e variação da luz (LIDAR) para mapeamento tridimensional (3-D). As ressonâncias plasmônica e Mie oferecem apenas fraca sintonia elétrica, mas décadas de pesquisa sobre modulação óptica descrevem a manipulação de excitons como sendo mais forte para controlar as propriedades ópticas de um material.
O papel crítico que os excitons podem desempenhar durante a manipulação óptica da frente de onda ainda precisa ser compreendido e demonstrado com elementos ópticos atomicamente finos. Em um novo estudo agora publicado em Nature Photonics , Jorik van de Groep e uma equipe de pesquisadores em Materiais Avançados da Universidade de Stanford e da Faculdade de Óptica e Fotônica da Universidade da Flórida Central, Os EUA projetaram um elemento óptico atomicamente fino que pode ser controlado ativamente. Eles esculpiram o substrato diretamente de uma monocamada de dissulfeto de tungstênio (WS 2 ) O material apresentou forte ressonância excitônica na faixa espectral visível. Em vez da abordagem típica para projetar o tamanho e a forma das antenas geometricamente ressonantes, a equipe projetou as metassuperfícies feitas de materiais excitônicos bidimensionais (2-D), modificando a ressonância do material. Ao otimizar o arranjo de materiais 2-D, eles alcançaram funções ópticas específicas - para realizar interações ressonantes e sintonizáveis luz-matéria.
Layout da célula eletroquímica. (uma), Seção transversal esquemática da célula eletroquímica fabricada no topo da amostra, selando o líquido iônico (DEME-TFSI) dentro. (b), Fotografia do substrato de safira de 1 × 1 cm2 com lentes de placa de 12 zonas de contato e célula eletroquímica completa. A amostra é montada em uma placa de circuito impresso feita sob medida, à qual as almofadas de contato Au são ligadas por fio. (c), Imagem ampliada do princípio de funcionamento das portas íon-líquido. Moléculas carregadas rastreiam o potencial Coulombic da heteroestrutura dopada WS2 / Gr e a almofada de referência Au. Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
Lente de placa de zona atomicamente fina ajustável
Para destacar a importância das ressonâncias de excitons na operação das lentes planas, a equipe viu os anéis de WS 2 como fontes de campos espalhados, impulsionado por uma onda plana incidente. Os campos dispersos gerados localmente foram proporcionais à polarização do WS 2 material, os cientistas esperavam o espalhamento mais forte perto da ressonância de excitons, onde a magnitude da suscetibilidade elétrica complexa (denotado x) foi maior. A configuração experimental alcançou eficiências de foco substancialmente mais altas com materiais esfoliados de alta qualidade em que a largura da linha de exciton foi notavelmente reduzida.
Embora essa lente fosse virtualmente invisível ao olho humano para comprimentos de onda não ressonantes, ele poderia capturar informações importantes de seus arredores para que a intensidade no foco excedesse em muito a intensidade da onda plana incidente. A dependência espectral da eficiência de focagem dependia da susceptibilidade do material complexo do WS 2 monocamada. Os cientistas não conseguiram isolar experimentalmente o campo espalhado, mas eles coletaram a luz fracamente espalhada de uma grande área para determinar a intensidade focal das placas da zona experimental para ser alta e amplamente baseada no WS 2 material.
Suscetibilidade do material e eficiência de focalização. (uma), Gráfico de fasor da suscetibilidade complexa de WS2. Os pontos e números brancos indicam os comprimentos de onda correspondentes. A e B referem-se às ressonâncias de excitons. (b), Valor absoluto (superior) e ângulo de fase (inferior) da susceptibilidade do material. (c), Espectro de eficiência de focalização simulado da luz espalhada para a lente de placa de zona de 20 µm de diâmetro. Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y 
A equipe controlou a eficiência de foco das lentes alterando a ressonância de excitons do WS 2 material usando portas elétricas. Por esta, eles analisaram as mudanças de refletividade induzidas de um simples 20 x 20 µm 2 remendo quadrado isolado de WS monocamada 2, em função da tensão de porta aplicada. Eles observaram uma remoção completa das ressonâncias excitônicas para produzir uma das maiores mudanças possíveis na suscetibilidade. Essa supressão de excitons também era totalmente reversível e altamente reproduzível. As observações destacaram os benefícios das ressonâncias excitônicas em comparação com as ressonâncias plasmônicas e do tipo Mie, que são mais difíceis de sintonizar e suprimir.
Os pesquisadores então capitalizaram sobre a grande capacidade de ajuste das ressonâncias de excitons para controlar a intensidade no ponto focal de uma lente. Eles mediram experimentalmente a potência no foco em função do comprimento de onda normalizado para o incidente de potência na lente da placa de zona para entender o espectro de eficiência de foco. Os resultados indicaram que o espalhamento de luz excitônica focalizado dominou a transmissão direta do substrato. Quando a equipe aplicou uma polarização de porta de 3 volts ao WS 2 / heteroestrutura de grafeno para suprimir a ressonância de excitons, eles observaram supressão total da linha excitônica assimétrica. Então, usando a comutação reversível da ressonância de excitons, eles restauraram o estado ressonante neutro.
Manipulação de exciton através de gating líquido iônico. (uma), Espectros de refletividade de um patch isolado de 20 × 20 µm2 de WS2 para Vg =0 V (azul) e fechado em Vg =3 V (n-doping, vermelho). Detalhe:imagem do microscópio óptico do dispositivo de patch. O WS2 entre as linhas tracejadas é removido, isolar a área interna do WS2. Barra de escala, 20 µm. (b), Os espectros de refletividade durante o ciclo entre o estado neutro (azul) e dopado (vermelho), mostrando alta reprodutibilidade. Os espectros obtidos sequencialmente são deslocados para maior clareza, conforme indicado pela seta cinza. Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
Os resultados foram consistentes com a observação do estreitamento da largura de linha em medições de reflexão nos dispositivos de patch. A eficiência de foco medida foi relativamente baixa e limitada devido à qualidade do material relativamente baixa do WS comercial 2 . Por exemplo, monocamadas encapsuladas de alta qualidade de disseleneto de molibdênio em flocos pequenos (MOSe 2 ) pode atingir uma refletância óptica de até 80 por cento. Os cientistas podem, portanto, melhorar o crescimento em grande área de dichalcogenetos de metal de transição de monocamada de alta qualidade (TMDCs), como WS 2 para aumentar fortemente as eficiências de foco.
A equipe de pesquisa conduziu a temperatura ambiente, manipulação ativa de grande área da ressonância de excitons para demonstrar o controle dinâmico da intensidade da luz no foco da lente da placa de zona de material 2-D. Eles alternaram reproduzivelmente entre os estados dominados por exciton e extinto por exciton para realizar o controle ativo na amplitude de espalhamento de luz excitônica. O tempo de resposta e a assimetria na configuração resultaram da formação limitada do complexo por transporte iônico e devido à desmontagem da dupla camada elétrica de líquido iônico. Como resultado, os cientistas propõem a implementação de esquemas de controle de estado sólido em vez de sistema de controle de líquido iônico para aumentar o tempo de resposta do dispositivo em ordens de magnitude, que atualmente é limitado devido aos desafios de fabricação.
Modulação de excitação da intensidade no foco. (uma), Os espectros de eficiência de foco da lente da placa de zona em prístina (vermelho, Vg =0 V), fechado (azul, Vg =3 V) e estado restaurado (cinza, Vg =0 V). A área sombreada indica a barra de erro correspondente a um desvio padrão. Os triângulos no eixo inferior e as linhas tracejadas indicam os comprimentos de onda usados para b. (b), Intensidade no foco em função do tempo para λ =605 nm (azul, principal), para λ =615 nm (vermelho, meio) e para λ =625 nm (cinza, inferior) enquanto Vg é alternado entre 0 V (fundo branco) e 3 V (fundo vermelho). (c), Traço de tempo de aumento (esquerda) e queda (direita) da intensidade focal para λ =625 nm. Os tempos de subida e descida correspondentes obtidos de um ajuste (vermelho) também são mostrados. Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
Desta maneira, Jorik van de Groep e colegas demonstraram a importância das ressonâncias de material excitônico para operar lentes ópticas atomicamente finas. Eles prevêem que esquemas de portas mais avançados com eletrodos de portas locais e intercalados facilitarão os dispositivos ópticos excitônicos com funcionalidades mais complexas, como distâncias focais ajustáveis ou direcionamento de feixe. O trabalho abre uma abordagem inteiramente nova para projetar óptica plana dinâmica e metassuperfícies para aplicações em vazamento de feixe de espaço livre, manipulação de frente de onda e em realidade aumentada / virtual.
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