Los científicos crean la lente más delgada de la Tierra gracias a los excitones

Las lentes se utilizan para doblar y enfocar la luz. Las lentes comunes se basan en su forma curva para lograr este efecto, pero físicos de la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Stanford han creado una lente plana con un espesor de sólo tres átomos que se basa en efectos cuánticos. Este tipo de lentes podrían utilizarse en futuras gafas de realidad aumentada.

Las lentes de vidrio curvadas funcionan porque la luz se refracta (refracta) cuando entra en el vidrio y nuevamente cuando sale, haciendo que los objetos parezcan más grandes o más cercanos de lo que realmente son. La gente ha utilizado lentes curvas durante más de dos milenios para estudiar los movimientos de planetas y estrellas distantes, detectar pequeños microorganismos y mejorar la visión.

Ludovico Guarneri, Thomas Bauer y Jurik van de Grube de la Universidad de Amsterdam, junto con colegas de la Universidad de Stanford en California, adoptaron un enfoque diferente. Usando una sola capa de un material único llamado disulfuro de tungsteno (WS₂ En resumen), construyeron una lente plana de medio milímetro de ancho, pero de sólo 0,0000006 milímetros, o 0,6 nanómetros, de grosor. Esto la convierte en la lente más delgada de la Tierra.

En lugar de depender de una forma curva, la lente consta de anillos concéntricos de WS₂ Con espacios entre ellos. Esto se llama «lente de Fresnel» o «lente de placa de área» y enfoca la luz mediante difracción en lugar de refracción. El tamaño de los anillos y la distancia entre ellos (en comparación con la longitud de onda de la luz que llega a ellos) determinan la distancia focal de la lente. El diseño utilizado aquí enfoca la luz roja a 1 mm de la lente.

Trabajo es publicado en la revista Nanomensajes.

Mejora cuántica

La característica única de esta lente es que la eficiencia de enfoque depende de los efectos cuánticos dentro del WS.₂. Estos efectos permiten que el material absorba y reemita luz de manera eficiente en longitudes de onda específicas, lo que le da a la lente la capacidad incorporada de funcionar mejor con estas longitudes de onda.

Este refuerzo cuántico funciona de la siguiente manera. Primero, W.S.₂ Absorbe la luz enviando el electrón a un nivel de energía más alto. Debido a la estructura extremadamente delgada de la materia, el electrón cargado negativamente y el «agujero» cargado positivamente que deja en la red atómica permanecen unidos por atracción electrostática entre ellos, formando lo que se conoce como un «excitón».

Estos excitones desaparecen rápidamente nuevamente cuando el electrón y el agujero se fusionan y emiten luz. Esta luz reemitida contribuye a aumentar la eficiencia de la lente.

Los científicos han descubierto un claro pico en la eficiencia de las lentes para longitudes de onda de luz específicas emitidas por excitones. Si bien el efecto ya se observa a temperatura ambiente, las lentes son más efectivas cuando se enfrían. Esto se debe a que los excitones funcionan mejor a temperaturas más bajas.

Realidad aumentada

Otra característica única de una lente es que, si bien parte de la luz que la atraviesa forma un punto focal brillante, la mayor parte de la luz lo atraviesa sin verse afectada. Si bien esto puede parecer un inconveniente, abre nuevas puertas para su uso en tecnologías futuras.

«La lente se puede utilizar en aplicaciones en las que no se debe alterar la visión a través de la lente, pero se puede aprovechar una pequeña porción de la luz para recopilar información. Esto la hace ideal para gafas portátiles como las de realidad aumentada», explica Jurek Van. De Grubb, uno de los autores del artículo.

Los investigadores ahora se centran en diseñar y probar capas ópticas multifuncionales más complejas cuya función (por ejemplo, enfocar la luz) se pueda ajustar eléctricamente.

«Los excitones son muy sensibles a la densidad de carga del material, por lo que podemos cambiar el índice de refracción del material aplicando un voltaje», dice van de Grope.