Lente mais fina do mundo foca a luz usando efeitos quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/06/2024

A lente é feita com uma única camada de WS₂, que tem apenas três átomos de espessura. O detalhe mostra um éxciton, um elétron energizado ligado à lacuna carregada positivamente na rede atômica.
[Imagem: Ludovica Guarneri et al. - 10.1021/acs.nanolett.4c00694]

Lente de uma camada atômica

As lentes normais de vidro dependem da sua forma para curvar e focar a luz, mas as lentes planas, ou metalentes, vêm aos poucos substituindo os pesados e grossos aparatos ópticos por membranas muito finas.

Ludovica Guarneri e colegas das universidades de Amsterdã (Países Baixos) e Stanford (EUA) criaram agora a lente mais fina já fabricada, tão fina que ela não lida com os fótons da luz, que têm comprimentos de onda longos, mas com quasipartículas chamadas éxcitons.

Usando uma única camada atômica de um material chamado dissulfeto de tungstênio (WS₂), eles construíram uma lente plana com meio milímetro de diâmetro, mas com apenas 0,0000006 milímetro, ou 0,6 nanômetro, de espessura. Isso a torna a lente mais fina da Terra.

Em vez de depender de um formato curvo, a lente é feita de anéis concêntricos e espaçados de WS₂. Essa estrutura é chamada lente de Fresnel, focando a luz usando a difração, em vez da refração da luz. O tamanho e a distância entre os anéis (em comparação com o comprimento de onda da luz) determinam a distância focal da lente. O protótipo construído pela equipe foca a luz vermelha a 1 mm da lente.

Focando a luz com efeitos quânticos

Uma característica única desta lente é que sua eficiência de foco depende de efeitos quânticos no WS₂. Esses efeitos permitem que o material absorva e reemita luz com eficiência em comprimentos de onda específicos, dando à lente a capacidade de funcionar melhor nesses comprimentos de onda.

Primeiro, o material absorve a luz enviando um elétron para um nível de energia mais alto. Devido à estrutura ultrafina do material, o elétron (negativo) e a lacuna (carga positiva) que ele deixa na rede atômica permanecem unidos pela atração eletrostática entre eles, formando o que é conhecido como um éxciton. Esses éxcitons desaparecem rapidamente quando o elétron e a lacuna se fundem, reemitindo o fóton. É esta luz reemitida que é a responsável pela eficiência da lente.

Embora o efeito ocorra em temperatura ambiente, essas lentes ultrafinas são ainda mais eficientes quando resfriadas, o que ocorre porque os éxcitons funcionam melhor em temperaturas mais baixas.

Os efeitos quânticos capturam o fóton e o reemitem já no ponto focal.
[Imagem: Ludovica Guarneri et al. - 10.1021/acs.nanolett.4c00694]

Realidade aumentada

Outra característica exclusiva da lente ultrafina é que, embora parte da luz que passa por ela forme um ponto focal brilhante, a maior parte da luz passa sem ser afetada. Embora isto possa parecer uma desvantagem, na verdade abre novas portas para uso em tecnologias promissoras.

"A lente pode ser usada em aplicações onde a visão através da lente não deve ser perturbada, mas uma pequena parte da luz pode ser aproveitada para coletar informações. Isso a torna perfeita para óculos vestíveis, como no caso da realidade aumentada," disse o professor Jorik van de Groep.

Os pesquisadores agora pretendem projetar e testar revestimentos ópticos mais complexos e multifuncionais, cuja função (como focar a luz) possa ser ajustada eletricamente em tempo de voo. "Os éxcitons são muito sensíveis à densidade de carga do material e, portanto, podemos alterar o índice de refração do material aplicando uma voltagem," disse Van de Groep, destacando que "o futuro dos materiais excitônicos é brilhante!"

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