دانشمندان نازک‌ترین عدسی دنیا را با ضخامت سه اتم ساختند

عدسی‌ها معمولاً به‌علت شکل منحنی خود می‌توانند نور را خم و متمرکز کنند. اما فیزیکدانان به‌تازگی یک عدسی تخت ساخته‌اند که نور را با استفاده از میدان‌های کوانتومی خم می‌کند. این نازک‌ترین عدسی دنیا است و تنها به‌اندازه سه اتم ضخامت دارد.

فیزیکدانان دانشگاه آمستردام و دانشگاه استنفورد از یک لایه ماده به‌نام تنگستن دی‌سولفید (WS₂) برای ساخت یک عدسی تخت با عرض نیم میلی‌متر استفاده کرده‌اند. اما کوچک‌ترین بُعد این عدسی ضخامت آن است که تنها 0.0000006 میلی‌متر یا 0.6 نانومتر است. یعنی این عدسی نازک‌ترین عدسی روی زمین محسوب می‌شود.

این عدسی از حلقه‌های هم‌مرکز WS₂ با شکاف‌هایی در میان این حلقه‌ها ساخته شده است. این ساختار را «عدسی فرنسل» (Fresnel lens) یا «عدسی صفحه کمربندی» (Zone plate lens) می‌نامند که نور را با استفاده از پراش (Diffraction) متمرکز می‌کند، نه شکست.

اندازه حلقه‌ها و فاصله بین آن‌ها (در مقایسه با طول موج نوری که به آن‌ها برخورد می‌کند) فاصله کانونی عدسی را مشخص می‌کند. فاصله کانونی نازک‌ترین عدسی دنیا 1 میلی‌متر است.

یکی از خصوصیات منحصربه‌فرد این عدسی این است که تنها برخی از نورهای عبوری از آن در کانون متمرکز می‌شوند و بقیه دچار تغییر نمی‌گردند. این شاید یک نقطه ضعف به‌نظر برسد، اما در واقع کاربردهای فراوانی در تکنولوژی‌های آینده دارد. این عدسی می‌تواند در ابزارهایی استفاده شود که لازم است منظره پشت عدسی تغییری نکند. عینک‌های واقعیت افزوده یک نمونه خوب برای چنین کاربردی هستند.

ساخت نازک‌ترین عدسی دنیا با استفاده از مفهوم تقویت کوانتومی

این عدسی برای متمرکزکردن نور به اثرات کوانتومی درون WS₂ متکی است. این اثرات ماده را قادر می‌سازند که با کارایی بالا نور را در طول موج‌های مشخص جذب و دوباره منتشر کند. پس می‌توان عدسی را برای طول موج‌هایی خاص بهینه‌سازی کرد.

فرایند تقویت کوانتومی به این ترتیب است: اول، WS₂ با فرستادن الکترون به یک سطح انرژی بالاتر، نور را جذب می‌کند. به‌علت ساختار فوق‌نازک ماده، الکترون شارژشده منفی و «سوراخ» شارژشده مثبت رها در شبکه اتمی، با توجه به جاذبه الکترواستاتیک بین‌شان به یکدیگر متصل می‌مانند و یک «اکسیتون» می‌سازند. این اکسیتون به‌سرعت از بین می‌رود، زیرا الکترون و سوراخ در یکدیگر ادغام می‌شوند و نور گسیل می‌کنند. این نورِ دوباره منتشرشده عملکردی مشابه یک عدسی دارد.

دانشمندان دریافتند که کارایی این عدسی برای برخی از طول موج‌های نور به حداکثر می‌رسد. اکسیتون‌ها در دماهای پایین بهترین عملکرد را نشان می‌دهند، اما این عدسی در دمای اتاق نیز کارایی دارد.

نتایج این پروژه در مجله Nano Letters منتشر شده است.