Các nhà khoa học tạo ra các thấu kính mỏng nhất trái đất bằng các exciton

Các thấu kính thường được sử dụng để uốn cong và hội tụ ánh sáng. Các thấu kính thông thường phụ thuộc vào hình dạng cong của chúng để có được hiệu ứng này nhưng các nhà vật lý ở trường đại học Amsterdam và Stanford đã tạo ra một thấu kính phẳng chỉ có độ dày bằng ba nguyên tử nhờ các hiệu ứng lượng tử. Dạng thấu kính này có thể được sử dụng cho những kính thực tế tăng cường trong tương lai.

Các thấu kính cong hoạt động tốt là bởi ánh sáng bị khúc xạ (uốn cong) khi nó chiếu qua kính, và thêm một lần nữa bị khúc xạ khi ánh sáng chiếu ra ngoài, khiến cho mọi thứ có vẻ lớn hơn hoặc gần hơn so với thực tế. Con người thường sử dụng các thấu kính cong trong vòng hai hoặc hơn hai thiên niên kỷ để nghiên cứu những chuyển động của các ngôi sao và hành tinh ở khoảng cách xa trái đất, để phát hiện những vi sinh vật rất nhỏ, và để cải thiện tầm nhìn.

Ludovico Guarneri, Thomas Bauer, và Jorik van de Groep của trường đại học Amsterdam, cùng với các đồng nghiệp ở đại học Stanford ở California, đã áp dụng một cách tiếp cận khác biệt. Sử dụng một đơn lớp vật liệu độc đáo mà người ta gọi là Wolfram(IV) sulfide – một hợp chất hóa học có thành phần gồm hai nguyên tố wolfram và lưu huỳnh, WS2 – họ cấu trúc một thấu kính phẳng có bề rộng bằng một nửa mili mét nhưng chỉ 0,0000006 mili mét hay 0,6 nano mét chiều dày. Đây chính là thấu kính mỏng nhất trên thế giới.

Không phụ thuộc về hình dạng cong, thấu kính này được làm với những vòng tròn trung tâm của WS2 với những khoảng trống ở giữa. Nó được gọi là một “thấu kính Fresnel” hay “thấu kính vùng phẳng” và hội tụ ánh sáng bằng nhiễu xạ hơn là khúc xạ. Kích thước và khoảng cách giữa các vòng tròn (so với bước sóng của ánh sáng xuyên qua) được xác định tiêu cự của thấu kính. Thiết kế này đã được dùng để hội tụ ánh sáng đỏ cách thấu kính 1 mm.
Công trình được xuất bản trên tạp chí Nano Letters 1.

Tăng cường lượng tử

Một đặc điểm của thấu kính là hiệu quả hội tụ phụ thuộc vào hiệu ứng lượng tử bên trong WS2. Các hiệu ứng cho phép vật liệu này hấp thụ một cách hiệu quả và tái phát xạ ánh sáng tại những bước sóng cụ thể, trao cho thấu kính năng lực tự xây dựng để hoạt động tốt hơn trong những bước sóng đó.

Khả năng tăng cường lượng tử đó hoạt động như một bước tiếp theo. Đầu tiên, WS2 hấp thụ ánh sáng bằng việc gửi một điện tử tới một mức năng lượng cao hơn. Do cấu trúc siêu mỏng của vật liệu mà electron điện tích âm và “lỗ trống” điện tích dương mà nó để lại trong mạng nguyên tử đã gắn kết với nhau bằng một lực hút tĩnh điện giữa chúng, qua đó hình thành cái mà người ta gọi là một “exciton” – một trạng thái ràng buộc của một electron và một lỗ trống electron, hấp dẫn lẫn nhau bởi lực tĩnh điện Coulomb.

Các exciton này nhanh chóng biến mất một lần nữa bởi electron và lỗ trống sáp nhập lại với nhau và thoát khỏi ánh sáng. Ánh sáng tái phát xạ này đóng góp vào hiệu lực của thấu kính.

Các nhà khoa học dò thấy một hiệu suất thấu kính đạt đỉnh rõ ràng với những bước sóng cụ thể của ánh sáng thoát khỏi exciton. Trong khi có thể quan sát hiệu ứng này tại nhiệt độ phòng thì các thấu kính cũng hiệu quả hơn khi ở các mức nhiệt độ thấp. Sở dĩ xảy ra điều này là các exciton hoạt động tốt hơn tại các mức mật độ thấp.

Thực tại tăng cường

Một đặc điểm độc đáo khác của thấu kính này là trong khi một số tia ánh truyền qua tạo ra tiêu điểm sáng thì phần lớn tia sáng truyền qua không bị ảnh hưởng về điều này. Trong khi điều này được coi là một bất lợi thì trên thực tế nó lại mở ra những cánh cửa mới cho việc sử dụng công nghệ này trong tương lai.

“Thấu kính này có thể được sử dụng cho những ứng dụng để ngăn những cái nhìn xuyên qua thấu kính tuy nhiên một phần nhỏ của tia sáng có thể được tận dụng để thu thập thông tin. Điều này khiến nó hoàn hảo cho các kính dạng thực tế ảo tăng cường”, Jorik van de Groep, một trong số các tác giả của bài báo, nói.

Các nhà nghiên cứu giờ tập trung vào thiết kế và thử nghiệm thêm nhiều lớp phủ quang đa chức năng mà chức năng của chúng có thể được điều khiển bằng điện (ví dụ như hội tụ ánh sáng).

“Các exciton này rất nhạy với mật độ điện tích trong vật liệu và do đó, chúng tôi có thể thay đổi việc chiết xuất của vật liệu bằng việc đưa vào đó một điện áp”, Van de Groep nói.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://www.realclearscience.com/2024/05/31/the_thinnest_lens_on_earth_enabled_by_excitons_1035025.html

https://phys.org/news/2024-05-scientists-thinnest-lens-earth-enabled.html

————————————————–

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00694

Tác giả