La lente más fina de la Tierra, gracias a los excitones
Utilizando una sola capa de un material llamado disulfuro de tungsteno, un equipo de físicos han fabricado una lente plana de medio milímetro de ancho y solo 0,0000006 milímetros de grosor. Esto la convierte en la lente más fina de la Tierra, y podría utilizarse en futuras gafas de realidad aumentada.
Por la Universidad de Ámsterdam
La lente más delgada de la Tierra, hecha de anillos concéntricos de disulfuro de tungsteno (WS2), utiliza excitones para enfocar la luz eficientemente. Cortesía: Ludovica Guarneri and Thomas Bauer
Las lentes sirven para curvar y enfocar la luz. Las lentes normales se basan en su forma curva para conseguir este efecto, pero físicos de la Universidad de Ámsterdam (Países Bajos) y la Universidad de Stanford (Estados Unidos) han fabricado una lente plana de solo tres átomos de grosor que se basa en efectos cuánticos. Este tipo de lente podría utilizarse en futuras gafas de realidad aumentada.
Cuando te imaginas una lente, probablemente piensas un trozo de cristal curvado. Este tipo de lente funciona porque la luz se refracta (se dobla) cuando entra en el cristal, y de nuevo cuando sale, lo que nos permite hacer que las cosas parezcan más grandes o más cercanas de lo que realmente son. Llevamos más de dos milenios utilizando lentes curvas para estudiar los movimientos de planetas y estrellas lejanos, descubrir microorganismos diminutos y mejorar nuestra visión.
Ludovico Guarneri, Thomas Bauer y Jorik van de Groep, de la Universidad de Ámsterdam, junto con colegas de la Universidad de Stanford (California), adoptaron un enfoque diferente. Utilizando una sola capa de un material llamado disulfuro de tungsteno (WS2), construyeron una lente plana de medio milímetro de ancho y solo 0,0000006 milímetros, es decir, 0,6 nanómetros de grosor. Esto la convierte en la lente más fina de la Tierra.
En lugar de basarse en una forma curva, la lente está hecha de anillos concéntricos de WS2 con espacios entre ellos. Se trata de una lente de Fresnel o lente de placa zonal, que enfoca la luz por difracción en lugar de por refracción. El tamaño y la distancia entre los anillos (en comparación con la longitud de onda de la luz) determinan la distancia focal de la lente. El diseño utilizado aquí enfoca la luz roja a 1 mm de la lente.
La nueva lente se basa en los efectos cuánticos del WS2.
Una característica única de esta lente es que su eficacia de enfoque se basa en los efectos cuánticos del WS2. Estos efectos permiten al material absorber y reemitir la luz con eficacia en longitudes de onda específicas, lo que confiere a la lente la capacidad integrada de funcionar mejor para estas longitudes de onda.
Esta mejora cuántica funciona de la siguiente manera. En primer lugar, el WS2 absorbe la luz y envia un electrón a un nivel de energía superior. 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 vuelven a desaparecer rápidamente al fusionarse el electrón y el hueco y emitir luz. Esta luz reemitida contribuye a la eficacia de la lente.
La nueva lente ultrafina podrá ser utilizada en las gafas de realidad aumentado del futuro. Imagen generada con DALL-E
Recordemos que los excitones son cuasipartículas que se forman en un semiconductor o aislante cuando un electrón se excita y se mueve a una banda de energía superior, dejando detrás un hueco en su banda de energía original. Este electrón y el hueco, aunque están separados, se atraen entre sí debido a la fuerza de Coulomb, formando un estado ligado similar a un átomo de hidrógeno, pero dentro del material.
Los excitones realizan mejor su trabajo a bajas temperaturas.
Dicho esto, los científicos detectaron un claro pico en la eficacia de la lente para las longitudes de onda específicas de la luz emitida por los excitones. Aunque el efecto ya se observa a temperatura ambiente, las lentes son aún más eficientes cuando se enfrían. Esto se debe a que los excitones realizan mejor su trabajo a temperaturas más bajas.
Otra de las características únicas de la lente es que, aunque parte de la luz que la atraviesa forma un punto focal brillante, la mayor parte de la luz pasa sin verse afectada. Aunque esto pueda 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 perturbar la visión a través de ella, pero se puede aprovechar una pequeña parte de la luz para recoger información. Esto la hace perfecta para gafas portátiles como las de realidad aumentada", explica Jorik van de Groep, uno de los autores del trabajo.
Los investigadores se proponen ahora diseñar y probar revestimientos ópticos más complejos y multifuncionales cuya función (como enfocar la luz) pueda ajustarse eléctricamente. “Los excitones son muy sensibles a la densidad de carga del material, por lo que podemos cambiar su índice de refracción aplicando un voltaje”, explica Van de Groep. El futuro de los materiales excitónicos es brillante.
Información facilitada por la Universidad de Ámsterdam -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Ludovica Guarneri, Qitong Li, Thomas Bauer, Jung-Hwan Song, Ashley P. Saunders, Fang Liu, Mark L. Brongersma, and Jorik van de Groep. Temperature-Dependent Excitonic Light Manipulation with Atomically Thin Optical Elements. Nano Letters (2024). DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00694
