Crean la lente más delgada de la Tierra, de solo tres átomos de espesor

Físicos europeos y norteamericanos han credo la lente más delgada de la Tierra, de solo tres átomos de espesor, basada en efectos cuánticos que permiten que el material absorba y reemita luz de manera eficiente en longitudes de onda específicas.

Las lentes se utilizan para doblar y enfocar la luz. Las lentes normales dependen de su forma curva para lograr este efecto, pero físicos de la Universidad de Ámsterdam y de la Universidad de Stanford han creado una lente plana de sólo tres átomos de espesor que se basa en efectos cuánticos. Este tipo de lentes podrían utilizarse en futuras gafas de realidad aumentada.

Un fluido eléctricamente sensible permite crear lentes adaptables similares a ojos

Cuando imaginas una lente, probablemente te imaginas un trozo de vidrio curvado. Este tipo de lente funciona porque la luz se refracta (dobla) cuando entra al cristal y nuevamente cuando sale, lo que nos permite hacer que las cosas parezcan más grandes o cercanas de lo que realmente son. Hemos utilizado lentes curvas durante más de dos milenios, lo que nos permite estudiar los movimientos de planetas y estrellas distantes, revelar pequeños microorganismos y mejorar nuestra visión.

Enfoque diferente

Ludovica Guarneri, Thomas Bauer y Jorik van de Groep, de la Universidad de Amsterdam, junto con colegas de la Universidad de Stanford en California, adoptaron un enfoque diferente.

Utilizando una sola capa de un material único llamado disulfuro de tungsteno (WS ₂ para abreviar), construyeron una lente plana de medio milímetro de ancho, pero de sólo 0,0000006 milímetros, o 0,6 nanómetros, de espesor. ¡Esto la convierte en la lente más delgada de la Tierra!

En lugar de depender de una forma curva, la lente está hecha de anillos concéntricos de WS ₂ con espacios entre ellos. Esto se llama "lente de Fresnel" o "lente de placas zonales" y enfoca la luz mediante difracción en lugar de refracción. El tamaño y la distancia entre los anillos (en comparación con la longitud de onda de la luz que los incide) determina la distancia focal de la lente. El diseño utilizado aquí enfoca la luz roja a 1 mm de la lente.

Mejora cuántica

Una característica única de esta lente es que su eficiencia de enfoque se basa en efectos cuánticos dentro de WS₂. Estos efectos permiten que el material absorba y reemita luz de manera eficiente en longitudes de onda específicas, lo que le da a la lente la capacidad incorporada de funcionar mejor con estas longitudes de onda.

Esta mejora cuántica funciona de la siguiente manera. Primero, WS ₂ absorbe luz enviando un electrón a un nivel de energía más alto. Debido a la estructura ultrafina del material, el electrón cargado negativamente y el "agujero" cargado positivamente que deja en la red atómica, permanecen unidos por la atracción electrostática entre ellos, formando lo que se conoce como un "excitón". Estos excitones desaparecen rápidamente cuando el electrón y el agujero se fusionan y emiten luz. Esta luz reemitida contribuye a la eficiencia de la lente.

Realidad aumentada

Los científicos detectaron un claro pico en la eficiencia de las lentes para las longitudes de onda de luz específicas enviadas por los excitones. Si bien el efecto ya se observa a temperatura ambiente, las lentes son aún más eficientes cuando se enfrían. Esto se debe a que los excitones hacen mejor su trabajo a temperaturas más bajas.

Otra de las características únicas de la lente es que, si bien parte de la luz que la atraviesa forma un punto focal brillante, la mayor parte de la luz pasa sin verse afectada. Si bien esto puede parecer una desventaja, en realidad abre nuevas puertas para su uso en la tecnología del futuro.

“La lente se puede utilizar en aplicaciones en las que no se debe alterar la visión a través de la lente, pero se puede aprovechar una pequeña parte de la luz para recopilar información. Esto lo hace perfecto para gafas portátiles como las de realidad aumentada”, explica Jorik van de Groep, uno de los autores del artículo.

Brillante futuro

Cara al futuro, estos investigadores se centran en diseñar y probar recubrimientos ópticos más complejos y multifuncionales cuya función (por ejemplo, enfocar la luz) se pueda ajustar eléctricamente.

"Los excitones son muy sensibles a la densidad de carga del material y, por lo tanto, podemos cambiar el índice de refracción del material aplicando un voltaje", dice Van de Groep. ¡El futuro de los materiales excitónicos es brillante!

Referencia

Temperature-Dependent Excitonic Light Manipulation with Atomically Thin Optical Elements. Ludovica Guarneri et al.  Nano Lett. 2024, 24, 21, 6240–6246; April 5, 2024. DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00694