地球上最薄的透镜由激子实现

发布时间：2024-07-09 15:33:33 栏目：生活

导读 透镜用于弯曲和聚焦光线。普通透镜依靠其弯曲形状来实现这一效果，但阿姆斯特丹大学和斯坦福大学的物理学家制造了一种厚度仅为三个原子的平

透镜用于弯曲和聚焦光线。普通透镜依靠其弯曲形状来实现这一效果，但阿姆斯特丹大学和斯坦福大学的物理学家制造了一种厚度仅为三个原子的平面透镜，它依靠量子效应。这种类型的透镜可用于未来的增强现实眼镜。



想象透镜时，你可能会想到一块弯曲的玻璃。这种透镜的工作原理是光线进入玻璃时会发生折射(弯曲)，离开玻璃时也会发生折射，这使我们能够使物体看起来比实际更大或更近。我们使用弯曲透镜已有两千年以上的历史，使我们能够研究遥远行星和恒星的运动，揭示微小的微生物，并改善我们的视力。

阿姆斯特丹大学的 Ludovica Guarneri、Thomas Bauer 和 Jorik van de Groep 与加州斯坦福大学的同事采取了不同的方法。他们使用一种名为二硫化钨(简称 WS 2 )的独特材料的单层，构建了一个平面透镜，该透镜宽度为半毫米，但厚度仅为 0.0000006 毫米(即 0.6 纳米)。这使它成为地球上最薄的透镜!

该透镜不依赖于曲面形状，而是由 WS 2的同心环组成， 环间有间隙。这被称为“菲涅尔透镜”或“区域板透镜”，它使用衍射而不是折射来聚焦光线。环的大小和环之间的距离(与照射到其上的光的波长相比)决定了透镜的焦距。此处使用的设计将红光聚焦在距离透镜 1 毫米的位置。

量子增强

这款镜头的独特之处在于，其聚焦效率依赖于 WS2 中的量子效应。这些效应使材料能够高效吸收和重新发射特定波长的光，从而使镜头具有更好地适应这些波长的内在能力。

这种量子增强的工作原理如下。首先，WS 2 通过将电子发送到更高的能级来吸收光。由于材料的结构非常薄，带负电的电子和它在原子晶格中留下的带正电的“空穴”通过它们之间的静电吸引力保持结合在一起，形成所谓的“激子”。这些激子很快又消失了，因为电子和空穴合并在一起并发出光。这种重新发射的光有助于提高镜头的效率。

科学家们发现，在激子发出的特定波长的光中，透镜效率出现了明显的峰值。虽然在室温下已经观察到了这种效果，但当冷却下来时，透镜的效率会更高。这是因为激子在较低温度下工作得更好。

增强现实

该镜片的另一个独特功能是，虽然部分光线穿过镜片会形成明亮的焦点，但大多数光线不会受到影响。虽然这听起来像是一个缺点，但它实际上为未来技术的应用打开了新的大门。“该镜片可用于不应干扰镜片视野的应用，但可以利用一小部分光线来收集信息。这使得它非常适合用于增强现实等可穿戴眼镜，”该论文的作者之一 Jorik van de Groep 解释道。

研究人员现在正着眼于设计和测试更复杂、多功能的光学涂层，这些涂层的功能(如聚焦光线)可以通过电调节。“激子对材料中的电荷密度非常敏感，因此我们可以通过施加电压来改变材料的折射率，”范德格罗普说。激子材料的未来一片光明!