Wissenschaftler entwickeln mithilfe von Exzitonen die dünnste Linse der Welt

Linsen werden verwendet, um Licht zu beugen und zu fokussieren. Normale Linsen sind auf ihre gekrümmte Form angewiesen, um diesen Effekt zu erzielen, aber Physiker der Universitäten Amsterdam und Stanford haben eine flache Linse mit einer Dicke von nur drei Atomen hergestellt, die auf Quanteneffekten beruht. Diese Art von Linse könnte in zukünftigen Augmented-Reality-Brillen verwendet werden.

Linsen aus gebogenem Glas funktionieren, weil das Licht beim Eintritt in das Glas und erneut beim Austritt gebrochen (gebogen) wird, 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 sichtbar zu machen und die Sicht zu verbessern.

Ludovico Guarneri, Thomas Bauer und Jorik van de Groep von der Universität Amsterdam verfolgten zusammen mit Kollegen von der Stanford University in Kalifornien einen anderen Ansatz. Sie verwendeten eine einzelne Schicht eines einzigartigen Materials namens Wolframdisulfid (kurz WS2) und konstruierten eine flache Linse, die einen halben Millimeter breit, aber nur 0,0000006 Millimeter oder 0,6 Nanometer dick ist. Damit ist sie die dünnste Linse der Welt.

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

Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Nano-Buchstaben.

Quantenverstärkung

Ein einzigartiges Merkmal dieser Linse ist, dass ihre Fokussierungseffizienz auf Quanteneffekten innerhalb von WS2 beruht. Diese Effekte ermöglichen es dem Material, Licht bei bestimmten Wellenlängen effizient zu absorbieren und wieder abzugeben, wodurch die Linse die eingebaute Fähigkeit erhält, für diese Wellenlängen besser zu funktionieren.

Diese Quantenverstärkung funktioniert folgendermaßen: Zunächst absorbiert WS2 Licht, indem es ein Elektron auf ein höheres Energieniveau bringt. Aufgrund der ultradünnen Struktur des Materials bleiben das negativ geladene Elektron und das positiv geladene „Loch“, das es im Atomgitter hinterlässt, durch die elektrostatische Anziehung zwischen ihnen zusammengehalten und bilden ein sogenanntes „Exziton“.

Diese Exzitonen verschwinden schnell wieder, indem Elektron und Loch miteinander verschmelzen und Licht aussenden. Dieses wieder emittierte Licht trägt zur Effizienz der Linse bei.

Die Wissenschaftler stellten einen deutlichen Spitzenwert der Linseneffizienz für die spezifischen Wellenlängen des von den Exzitonen ausgesandten Lichts fest. Während dieser Effekt bereits bei Zimmertemperatur zu beobachten ist, sind die Linsen bei Abkühlung noch effizienter. Dies liegt daran, dass Exzitonen bei niedrigeren Temperaturen ihre Arbeit besser verrichten.

Erweiterte Realität

Ein weiteres einzigartiges Merkmal der Linse ist, dass ein Teil des durch sie hindurchtretenden Lichts zwar einen hellen Brennpunkt erzeugt, das meiste Licht jedoch unbeeinflusst hindurchtritt. Das mag zwar wie ein Nachteil klingen, öffnet jedoch tatsächlich neue Türen für den Einsatz in der Technologie der Zukunft.

„Die Linse kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Sicht durch die Linse nicht gestört werden soll, aber ein kleiner Teil des Lichts abgegriffen werden kann, um Informationen zu sammeln. Dies macht sie perfekt für tragbare Brillen, beispielsweise für Augmented Reality“, erklärt Jorik van de Groep, einer der Autoren des Papiers.

Als nächstes zielen die Forscher darauf ab, komplexere und multifunktionale optische Beschichtungen zu entwerfen und zu testen, deren Funktion (wie etwa die Fokussierung von Licht) elektrisch eingestellt werden kann.

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