Soczewki są zaprojektowane tak, aby skupiać światło w określonym punkcie lub rozpraszać je. Dzięki nim możemy oglądać obiekty w dużym powiększeniu (mikroskopy) lub odległe zakamarki Wszechświata (teleskopy). Zazwyczaj są wykonane z zakrzywionego szkła lub innych przezroczystych materiałów, takich jak hydrożele (w przypadku soczewek kontaktowych).
Czytaj też: Pierwszy taki zabieg okulistyczny w Polsce. Niezwykła soczewka wszczepiona pacjentowi
Naukowcy z University of Amsterdam używając pojedynczej warstwy unikalnego materiału zwanego disiarczkiem wolframu (WS2), skonstruowali płaską soczewkę o szerokości 0,5 mm, ale grubości zaledwie 0,0000006 mm, czyli 0,6 nanometra. Dzięki temu jest to najcieńsza soczewka na Ziemi – poprzedni rekordzista był aż 10 razy grubszy! Szczegóły opisano w czasopiśmie Nano Letters.
Najcieńsza soczewka na świecie może mieć całkiem realne zastosowania
Zamiast polegać na zakrzywionej powierzchni, soczewka jest wykonana z koncentrycznych pierścieni WS2 z przerwami pomiędzy nimi (tzw. soczewka Fresnela) i skupia światło za pomocą dyfrakcji, a nie refrakcji. Rozmiar i odległość między pierścieniami (w porównaniu do długości fali światła padającego na nie) określają ogniskową soczewki. Zastosowana tutaj konstrukcja skupia czerwone światło 1 mm od soczewki.
Czytaj też: Wydłużamy “dzień” do granic możliwości, ale to zła wiadomość. Sztuczne światło może zabić
Najciekawsze jest to, że wydajność skupiania soczewki opiera się na efektach kwantowych w WS2. Pozwalają one materiałowi skutecznie absorbować i ponownie emitować światło o określonych długościach fal, co daje soczewce wbudowaną zdolność do lepszej pracy dla tych długości fal.
Jak działa wzmocnienie kwantowe? WS2 najpierw pochłania światło, wysyłając elektron na wyższy poziom energetyczny. Ze względu na ultracienką strukturę materiału, ujemnie naładowany elektron i dodatnia “dziura”, którą pozostawia w sieci atomowej, pozostają ze sobą związane dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu, tworząc ekscyton. Jego czas życia jest bardzo krótki, bo elektron i dziura w końcu łączą się ze sobą, emitując światło.
Naukowcy wykryli wyraźny szczyt wydajności soczewki dla określonych długości fal światła wysyłanego przez ekscytony. Chociaż efekt ten jest już obserwowany w temperaturze pokojowej, ale ekscytony lepiej zachowują się w niskich temperaturach.
Inną unikalną cechą soczewki jest to, że podczas gdy część światła przechodzącego przez nią tworzy jasny punkt ogniskowy, większość światła przechodzi przez nią bez zakłóceń. Choć może to brzmieć jak wada, w rzeczywistości otwiera nowe drzwi do wykorzystania w technologiach przyszłości.
Dr Jorik van de Groep z University of Amsterdam mówi:
Soczewka może być używana w zastosowaniach, w których widok przez soczewkę nie powinien być zakłócany, ale niewielka część światła może być wykorzystana do zbierania informacji. Dzięki temu idealnie nadaje się do okularów do rzeczywistości rozszerzonej.
Teraz uczeni skupiają się na projektowaniu i testowaniu złożonych powłok optycznych, których funkcje można regulować przy użyciu niewielkich impulsów elektrycznych.