A lente mais fina da Terra, feita de anéis concêntricos de dissulfeto de tungstênio (WS2), usa excitons para focar a luz com eficiência. A lente é tão espessa quanto uma única camada de WS2, com apenas três átomos de espessura. O canto inferior esquerdo mostra um exciton: um elétron excitado ligado ao ‘buraco’ carregado positivamente na rede atômica. Crédito: Ludovica Guarneri e Thomas Bauer
Os pesquisadores criaram uma lente plana inovadora com apenas três átomos de espessura usando efeitos quânticos, potencialmente transformando a realidade aumentada ao oferecer melhorias visuais menos obstrutivas.
As lentes normalmente manipulam a luz através de suas superfícies curvas. No entanto, investigadores da Universidade de Amesterdão e da Universidade de Stanford desenvolveram uma lente plana com apenas três átomos de espessura, utilizando efeitos quânticos para curvar e focar a luz. Esta lente inovadora poderá ser incorporada em óculos de realidade aumentada no futuro.
Quando você imagina uma lente, provavelmente imagina um pedaço de vidro curvo. Este tipo de lente funciona porque a luz é refratada (dobrada) quando entra no vidro e novamente quando sai, permitindo-nos fazer com que as coisas pareçam maiores ou mais próximas do que realmente são. Utilizamos lentes curvas há mais de dois milénios, o que nos permite estudar os movimentos de planetas e estrelas distantes, revelar pequenos microrganismos e melhorar a nossa visão.
Ludovico Guarneri, Thomas Bauer e Jorik van de Groep, da Universidade de Amsterdã, juntamente com colegas da Universidade de Stanford, na Califórnia, adotaram uma abordagem diferente. Usando uma única camada de um material exclusivo chamado dissulfeto de tungstênio (WS2 para resumir), eles construíram uma lente plana com meio milímetro de largura, mas apenas 0,0000006 milímetros, ou 0,6 nanômetros, de espessura. Isso a torna a lente mais fina da Terra!
Em vez de depender de um formato curvo, a lente é feita de anéis concêntricos de WS2 com lacunas entre eles. Isso é chamado de ‘lente Fresnel’ ou ‘lente de placa de zona’ e foca a luz usando difração em vez de refração. O tamanho e a distância entre os anéis (em comparação com o comprimento de onda da luz que os atinge) determinam a distância focal da lente. O design usado aqui foca na luz vermelha a 1 mm da lente.
Aprimoramento quântico
Uma característica única desta lente é que sua eficiência de foco depende de efeitos quânticos dentro do WS2. Esses efeitos permitem que o material absorva e reemita luz com eficiência em comprimentos de onda específicos, dando à lente a capacidade integrada de funcionar melhor nesses comprimentos de onda.
Este aprimoramento quântico funciona da seguinte maneira. Primeiro, WS2 absorve luz enviando um elétron para um nível de energia mais alto. Devido à estrutura ultrafina do material, o elétron com carga negativa e o ‘buraco’ com carga positiva que ele deixa na rede atômica permanecem unidos pela atração eletrostática entre eles, formando o que é conhecido como ‘exciton’. Esses excitons desaparecem rapidamente novamente quando o elétron e o buraco se fundem e enviam luz. Esta luz reemitida contribui para a eficiência da lente.
Os cientistas detectaram um pico claro na eficiência da lente para os comprimentos de onda específicos da luz enviada pelos excitons. Embora o efeito já seja observado em temperatura ambiente, as lentes são ainda mais eficientes quando resfriadas. Isso ocorre porque os excitons funcionam melhor em temperaturas mais baixas.
Realidade aumentada
Outra característica exclusiva da lente é que, embora parte da luz que passa por ela forma um ponto focal brilhante, a maior parte da luz passa sem ser afetada. Embora isto possa parecer uma desvantagem, na verdade abre novas portas para uso na tecnologia do futuro. “A lente pode ser usada em aplicações onde a visão através da lente não deve ser perturbada, mas uma pequena parte da luz pode ser aproveitada para coletar informações. Isso o torna perfeito para óculos vestíveis, como para realidade aumentada”, explica Jorik van de Groep, um dos autores do artigo.
Os pesquisadores estão agora focados em projetar e testar revestimentos ópticos mais complexos e multifuncionais, cuja função (como focar a luz) pode ser ajustada eletricamente. “Os excitons são muito sensíveis à densidade de carga do material e, portanto, podemos alterar o índice de refração do material aplicando uma voltagem”, diz Van de Groep. O futuro dos materiais excitônicos é brilhante!
Referência: “Manipulação de luz excitônica dependente de temperatura com elementos ópticos atomicamente finos” por Ludovica Guarneri, Qitong Li, Thomas Bauer, Jung-Hwan Song, Ashley P. Saunders, Fang Liu, Mark L. Brongersma e Jorik van de Groep, 5 de abril 2024, Nano-letras.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00694
