نازک‌ترین عدسی تاریخ ساخته شد

به گزارش ایسنا، یک همکاری بین محققان منجر به ساخت نازک‌ترین عدسی جهان شده است که تنها سه اتم ضخامت دارد.

به نقل از ان‌ای، برخلاف لنزهای معمولی که از انحنای خود برای خم کردن نور استفاده می‌کنند، این لنز برای رسیدن به اثر مورد نظر خود از جلوه‌های کوانتومی استفاده می‌کند.

پژوهشگران مؤسسه فیزیک(IOP) در دانشگاه آمستردام در هلند و محققان دانشگاه استنفورد در ایالات متحده برای ساختن نازک‌ترین عدسی جهان همکاری کردند.

لنزها بیش از دو هزار سال است که وجود دارند و هر بار که کسی از این کلمه استفاده می‌کند، تصویر یک شیشه کمی خمیده به ذهن خطور می‌کند. این شیشه خمیده، در اشکال و ترکیب‌های مختلف به ما کمک می‌کند بخوانیم، به موجوداتی که با چشم غیرمسلح قابل رویت نیستند نگاه کنیم و همچنین ستاره‌ها و سیارات دوردست را تماشا کنیم.

لنزها برای جمع‌آوری نور، خم کردن و تمرکز آن به سمت یک نقطه مشخص طراحی شده‌اند که اجسام را بزرگ می‌کنند تا دید ما را به آنها بهبود بخشند و اجسام بسیار ریز را از طریق میکروسکوپ ببینیم یا اجسام بسیار دور را از طریق تلسکوپ ببینیم. آنها معمولاً از شیشه خمیده یا سایر مواد شفاف مانند هیدروژل ساخته می‌شوند.

اما این طراحی سنتی به ساخت لنزهای بزرگ بسیار ضخیم و سنگین منجر می‌شود، به خصوص وقتی که از شیشه ساخته شده باشند.

برای صرفه‌جویی در مواد، در قرن نوزدهم یک طرح جایگزین به نام عدسی فرنزل(Fresnel) اختراع شد که در اصل برای استفاده در فانوس‌های دریایی بود. آنها از یک مجموعه دایره‌های متحدالمرکز از مواد برای پراش نور به یک نقطه کانونی استفاده می‌کنند که وضوح تصویر را قربانی می‌کند، اما اجازه می‌دهد تا لنزهای بسیار نازکتری داشته باشیم.

حالا محققان مؤسسه فیزیک در دانشگاه آمستردام و همکارانشان در دانشگاه استنفورد رویکرد متفاوتی را برای توسعه لنزها اتخاذ کردند. آنها از ماده منحصر به فردی به نام دی سولفید تنگستن(WS۲) برای ساخت عدسی مسطح به عرض نیم میلی‌متر و ضخامت ۰.۶ نانومتر استفاده کردند. برای مقایسه بد نیست بدانید که ضخامت یک تار موی انسان بین ۸۰ هزار تا ۱۰۰ هزار نانومتر است.

این لنز چگونه کار می‌کند؟

یک لنز خمیده معمولی بر اساس اصل شکست نور کار می‌کند. با توجه به ضخامت یک لنز معمولی، نور هنگام ورود به شیشه ابتدا خم می‌شود و پس از خروج یک بار دیگر خم می‌شود. حالا بر اساس انحنای هر عدسی، اجسام، بزرگتر یا نزدیکتر از آنچه هستند به ما به نظر می‌رسند.

از آنجایی که این عدسی جدید دارای حلقه‌های متحدالمرکز WS۲ است و ضخامتی برای خم کردن نور ندارد، در عوض بر اساس اصل پراش نور کار می‌کند. این لنز، فرنل(Fresnel) یا زون پلیت(zone plate) نامیده می‌شود و اندازه یا فاصله بین حلقه‌ها فاصله کانونی آن را تعیین می‌کند.

این لنز به دلیل اثرات کوانتومی با مولکول‌های WS۲ کار می‌کند، جایی که آنها ابتدا نور را با فرستادن یک الکترون به سطح انرژی بالاتر جذب می‌کنند.

از آنجایی که این ماده فوق‌العاده نازک است، الکترون و حفره‌ای که دارای بار مثبت است، به دلیل جاذبه الکترواستاتیکی که بین آنها وجود دارد، محدود می‌مانند که این اکسایتون(exciton) نامیده می‌شود.

اکسایتون‌ها به سرعت ناپدید می‌شوند، زیرا الکترون و حفره با هم ادغام می‌شوند و نور را از عدسی بیرون می‌فرستند. این ماده نور را در طول موج‌های خاص جذب و ساطع می‌کند که باعث می‌شود برای کاربردهای خاص بسیار کارآمد باشد.

در حالی که محققان یک اوج واضح را در بازده لنز در طول موج‌های خاص در دمای اتاق مشاهده کردند، این بازده زمانی که لنز خنک شد حتی بالاتر بود.

برنامه‌های کاربردی بالقوه

از آنجایی که این لنز می‌تواند با طول موج‌های خاص کار کند، تنها بخشی از نوری که بر روی آن فرو می‌آید به نقطه کانونی آن هدایت می‌شود و بقیه نور بدون تأثیر از لنز عبور می‌کند. در حالی که این ممکن است به عنوان یک نقطه ضعف به نظر برسد، محققان قصد دارند از این ویژگی در برنامه‌هایی استفاده کنند که نور نیاز به عبور دارد.

این لنز را می‌توان در برنامه‌هایی مورد استفاده قرار داد که دید با لنز نباید مختل شود، اما می‌توان به بخش کوچکی از نور برای جمع‌آوری اطلاعات دست یافت.

جوریک وندگروپ استادیار موسسه فیزیک دانشگاه آمستردام که در این پروژه مشارکت داشت، می‌گوید که این ویژگی این لنز را برای دستگاههای پوشیدنی مانند عینک‌های واقعیت افزوده عالی می‌کند.

این تیم اکنون در تلاش است تا پوشش‌های این لنزها را بهبود بخشد تا بتوان آنها را به صورت الکتریکی تنظیم کرد.

وندگروپ در بیانیه‌ای گفت: اکسایتون‌ها به چگالی بار در مواد بسیار حساس هستند و بنابراین می‌توانیم ضریب شکست ماده را با اعمال ولتاژ تغییر دهیم.

یافته‌های این پژوهش در مجله Nano Letters منتشر شده است.