Een team van natuurkundigen dat samenwerkte tussen de Universiteit van Amsterdam en Stanford University combineerde de bakentheorie en elektrostatisch gebonden “excitonen” om ‘s werelds dunste lens te creëren. Het ontwerp is 0,6 nanometer dik en een halve millimeter breed en maakt gebruik van slechts drie atomen van een speciaal materiaal genaamd wolfraamdisulfide (WS2), waarvan de kwantumeigenschappen het bijzonder geschikt maken voor het vormen van een atomair roosterwerk dat doet denken aan de platte “Fresnel-lens” die vaak wordt gezien in vuurtorens.
Al millennia lang vertrouwen de meeste lenzen op een gebogen vorm om het licht dat erdoorheen gaat te breken om objecten te vergroten. Fresnel-lenzen vereisen echter geen enkele vorm van kromming, maar gebruiken in plaats daarvan concentrische platte ringen om licht te buigen, waarbij de grootte en breedte van de ringen de totale brandpuntsafstand van de lens bepalen. Fresnel-lenzen worden vaak gebruikt bij klassieke vuurtorenlampen vanwege hun vermogen om licht over lange afstanden te breken.
[Related: NASA’s next massive telescope could have a liquid lens.]
Natuurkundigen hebben hun nieuwe Fresnel-lens op atomaire schaal gedetailleerd beschreven in een onderzoek dat vorige maand in het tijdschrift werd gepubliceerd: Nano-brieven. In dit ontwerp wordt het focusseringsvermogen afgeleid van de unieke kwantumeffecten van wolfraamdisulfide, waardoor het licht op specifieke golflengten kan absorberen en opnieuw uitzenden. Om dit te bereiken neemt WS2 licht op door elektronen naar een hoger energieniveau te schieten. Omdat het materiaal echter zo klein is, raken het negatief geladen elektron en de positief geladen ruimte die het achterlaat door elektrostatische aantrekking gebonden aan het atoomrooster. Deze structuren staan bekend als “excitonen” en bestaan slechts een korte tijd voordat het elektron en het positieve gat weer verschijnen, waarbij ze effectief licht uitstralen. Hoewel dit proces bij kamertemperatuur werkt, hebben natuurkundigen ontdekt dat het bijzonder effectief is in cryogeen koude omgevingen tot 14 graden Kelvin (of -434,47 Fahrenheit).
Tijdens de experimenten van het team konden de onderzoekers hun atomair dunne 2D-materiaal gebruiken om rood licht op 1 mm afstand van de lens te focusseren. Hoewel het op menselijke schaal relatief klein is, is het ongelooflijk indrukwekkend als je bedenkt dat de diameter van de lens slechts 0,0000006 mm bedraagt.
Maar een van de meest veelbelovende kenmerken van het ontwerp ligt in wat op het eerste gezicht misschien als een tekortkoming klinkt: slechts een klein deel van het licht wordt in een punt gebundeld, terwijl het grootste deel onaangetast door de lens gaat. Maar zoals co-auteur Jorik van de Groep uitlegt, zou dit juist een groot voordeel kunnen zijn.
“De lens kan worden gebruikt in toepassingen waarbij het zicht door de lens niet mag worden belemmerd, maar een klein deel van het licht kan worden afgetapt om informatie te verzamelen”, zei hij in een begeleidende verklaring. “Dat maakt het perfect voor draagbare brillen zoals augmented reality.”
Hoewel het onwaarschijnlijk is dat atomaire Fresnel-lenzen binnenkort hun weg zullen vinden naar de Vision Pro-headset van Apple, zijn de onderzoekers van plan om vervolgens complexere en veelzijdigere optische ontwerpen te maken en te testen die ze elektrisch kunnen aanpassen.