Physiker präsentieren die dünnste Linse der Welt

Physiker präsentieren die dünnste Linse der Welt
Physiker präsentieren die dünnste Linse der Welt
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Physiker der Universität Amsterdam und der Stanford University haben eine flache Linse mit einer Dicke von nur drei Atomen entwickelt, die auf Quanteneffekten statt auf Lichtbeugung und -fokussierung beruht.

Diese Art von Linsen könnte in zukünftigen Augmented-Reality-Brillen verwendet werden, so die Autoren des in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlichten Fortschritts.

Gebogene Glaslinsen funktionieren, weil Licht gebrochen (gebeugt) wird, wenn es in das Glas eintritt und wieder verlässt, wenn es das Glas verlässt, wodurch Dinge größer oder näher erscheinen, als sie tatsächlich sind. Seit mehr als zwei Jahrtausenden verwenden Menschen gebogene Linsen, um die Bewegungen entfernter Planeten und Sterne zu untersuchen, winzige Mikroorganismen aufzudecken und das Sehvermögen zu verbessern.

Einen anderen Ansatz verfolgten Ludovico Guarneri, Thomas Bauer und Jorik van de Groep von der Universität Amsterdam sowie Kollegen der Stanford University in Kalifornien. Aus einer einzigen Schicht eines einzigartigen Materials namens Wolframdisulfid (kurz WS2) bauten sie eine flache Linse mit einer Breite von einem halben Millimeter, aber nur 0,0000006 Millimetern oder 0,6 Nanometern dick. Damit ist es die dünnste Linse der Welt.

Beugung statt Brechung

Anstatt sich auf eine gekrümmte Form zu verlassen, besteht die Linse aus konzentrischen Ringen aus WS2 mit Zwischenräumen dazwischen. Dies wird als „Fresnel-Linse“ oder „Zonenplattenlinse“ bezeichnet und fokussiert Licht durch Beugung statt Brechung. Die Größe und der Abstand zwischen den Ringen (im Vergleich zur Wellenlänge des auf sie treffenden Lichts) bestimmen die Brennweite des Objektivs. Das hier verwendete Design fokussiert rotes Licht 1 mm von der Linse entfernt.

Ein einzigartiges Merkmal dieser Linse besteht darin, dass ihre Fokussierungseffizienz von Quanteneffekten innerhalb von WS2 abhängt. Diese Effekte ermöglichen es dem Material, Licht bei bestimmten Wellenlängen effizient zu absorbieren und wieder abzustrahlen, wodurch die Linse die eingebaute Fähigkeit erhält, bei diesen Wellenlängen die beste Leistung zu erbringen.

Diese Quantenverstärkung funktioniert auf folgende Weise. Erstens absorbiert WS2 Licht, indem es ein Elektron auf ein höheres Energieniveau schickt. Aufgrund der ultrafeinen Struktur des Materials bleiben das negativ geladene Elektron und das positiv geladene „Loch“, das es im Atomgitter hinterlässt, durch die elektrostatische Anziehung zwischen ihnen gebunden und bilden ein sogenanntes „Exziton“.

Diese Exzitonen verschwinden schnell wieder, wenn Elektron und Loch verschmelzen und Licht aussenden. Dieses reemittierte Licht trägt zur Effizienz des Objektivs bei.

Die Wissenschaftler stellten einen deutlichen Spitzenwert in der Effizienz der Linsen für die spezifischen Wellenlängen des von den Exzitonen gesendeten Lichts fest. Während der Effekt bereits bei Raumtemperatur zu beobachten ist, sind die Linsen bei Abkühlung noch effizienter. Dies liegt daran, dass Exzitonen ihre Aufgabe bei niedrigeren Temperaturen besser erfüllen.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal der Linse besteht darin, dass ein Teil des durch sie hindurchtretenden Lichts zwar einen hellen Brennpunkt bildet, der Großteil des Lichts jedoch unbeeinflusst hindurchtritt. Auch wenn dies wie ein Nachteil erscheinen mag, eröffnet es tatsächlich neue Türen für den Einsatz in Zukunftstechnologien.

„Die Linse kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Sicht durch die Linse nicht verändert werden soll, aber ein kleiner Teil des Lichts zum Sammeln von Informationen genutzt werden kann. Dies macht sie perfekt für tragbare Brillen wie Augmented-Reality-Brillen“, erklärt Jorik van de Groep, einer der Autoren des Artikels, in einer Erklärung.

Forscher konzentrieren sich nun darauf, komplexere, multifunktionale optische Beschichtungen zu entwerfen und zu testen, deren Funktion (z. B. Fokussierung von Licht) elektrisch angepasst werden kann.

„Exzitonen reagieren sehr empfindlich auf die Ladungsdichte des Materials und daher können wir den Brechungsindex des Materials durch Anlegen einer Spannung ändern“, sagt Van de Groep.

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