Físicos presentan la lente más delgada del mundo

Físicos de la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Stanford han creado una lente plana de sólo tres átomos de espesor que se basa en efectos cuánticos y no en doblar y enfocar la luz.

Este tipo de lentes podrían utilizarse en futuras gafas de realidad aumentada, según los autores del avance, publicado en la revista Nano Letters.

Las lentes de vidrio curvo funcionan porque la luz se refracta (dobla) cuando entra al vidrio y nuevamente cuando sale, lo que hace que las cosas parezcan más grandes o más cercanas de lo que realmente son. La gente ha utilizado lentes curvas durante más de dos milenios para estudiar los movimientos de planetas y estrellas distantes, revelar pequeños microorganismos y mejorar la visión.

Ludovico 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 (WS2 para abreviar), construyeron una lente plana de medio milímetro de ancho, pero sólo 0,0000006 milímetros, o 0,6 nanómetros, de espesor. Esto la convierte en la lente más delgada de la Tierra.

Difracción en lugar de refracción

En lugar de depender de una forma curva, la lente está hecha de anillos concéntricos de WS2 con espacios entre ellos. Esto se llama "lente de Fresnel" o "lente de placa de zona" 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.

Una característica única de esta lente es que su eficiencia de enfoque depende de los 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, WS2 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 nuevamente cuando el electrón y el agujero se fusionan y emiten luz. Esta luz reemitida contribuye a la eficiencia de la lente.

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 la hace perfecta para gafas portátiles como las de realidad aumentada", explica en un comunicado Jorik van de Groep, uno de los autores del artículo.

Los investigadores ahora 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.