Под управлением экситонов: учёные создали самую тонкую линзу на свете

Линзы используются для фокусировки света. Обычно такой эффект достигается благодаря изогнутой форме. Но физики из Амстердамского и Стэнфордского университетов создали плоскую линзу толщиной всего в три атома на основе квантовых эффектов. И обещают практическую пользу от неё в виде детали для носимых устройств.


Изогнутые стеклянные линзы работают за счёт преломления (искривления) проходящего через них света. Благодаря этому предметы кажутся крупнее или ближе. Люди уже более двух тысячелетий используют изогнутые линзы для улучшения зрения, изучения космоса и наблюдений за микробами.

Людовико Гварнери, Томас Бауэр и Йорик ван де Гроуп из Амстердамского университета вместе с коллегами из Стэнфордского университета в Калифорнии применили другой подход. Используя один слой дисульфида вольфрама с формулой WS2, они создали плоскую линзу шириной в полмиллиметра, но толщиной всего 0,0000006 миллиметра, то есть 0,6 нанометра. Иными словами, они изобрели самую тонкую линзу на свете.

Ни выпуклость, ни вогнутость материала не понадобились — линза сделана из концентрических колец из WS2 с промежутками между ними. Подобная конструкция называется «линза Френеля» или «зонно-пластинчатая линза». Она фокусирует свет с помощью дифракции, а не преломления. Размер колец и расстояние между ними (по сравнению с длиной волны падающего на них света) определяют фокусное расстояние линзы. В изобретении фокусируется красный свет на расстоянии в 1 мм от линзы.

Поясним, что дифракция волн (от латинского diffractus, то есть «разломанный») — явление огибания волнами препятствий, в широком смысле — любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Дифракция представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами для волновых полей разной природы.

Уникальность новой линзы в том, что эффективность фокусировки зависит от квантовых эффектов в пределах WS2. Эффекты, связанные с волновой механикой, позволяют материалу успешно поглощать и переизлучать (повторно испускать) свет на определённых длинах волн, придавая линзе способность лучше работать.

Квантовое усиление работает так: прежде всего WS2 поглощает свет, переводя электрон энергетическим уровнем выше. Благодаря ультратонкой структуре материала отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная электронная дырка, которую он оставляет после себя в атомной решётке, остаются связанными друг с другом за счёт электростатического притяжения между ними. И образуют экситон.

Для понимания важно уяснить несколько понятий. Прежде всего — это квазичастица, то есть нечто подобное частице; термин, придуманный для описания явлений квантовой механики.

Второй термин — экситон, который произошёл от латинского excito, то есть «возбуждаю». Экситон относят к квазичастицам, а по сути это электронное возбуждение в диэлектрике, полупроводнике или металле, которое мигрирует по кристаллу, и вместе с тем не связанно с переносом электрического заряда и массы. Понятие об экситоне и сам термин ввёл в научный оборот советский физик Яков Френкель в 1931 году.

Третье понятие — электронная дырка, и это также квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Экситоны быстро сходят на нет, как только электрон сливается с дыркой, излучая свет. Это переизлучение света способствует повышению эффективности описываемой линзы.

Учёные обнаружили чёткий пик эффективности линз для определённых длин волн света, излучаемого экситонами. Хотя эффект наблюдается даже при комнатной температуре, линзы становятся ещё эффективнее при охлаждении. А всё потому, что экситоны лучше выполняют свою работу при более низких температурах.

Часть света, проходящего через линзу, создаёт яркую фокусную точку. Но уникальная особенность линзы заключается в том, что большая часть света проходит сквозь неё без изменений. На первый взгляд, это может показаться недостатком, но на самом деле открывает новые возможности для использования в технологиях будущего.



Йорик ван де Гроуп объяснил, что линза пригодится в устройствах, в которых обзор не должен нарушаться, но сколько-то света можно задействовать для сбора информации. Так, особенности изобретения делают его идеальным для очков дополненной реальности.

Теперь создатели тончайшей линзы нацелены на разработку и тестирование более сложных и многофункциональных оптических покрытий. Например, таких, в которых световая фокусировка регулируется электричеством. Дело в том, что экситоны очень чувствительны к плотности заряда в материале, и поэтому показатель преломления материала можно изменять, включая напряжение.