Ultrafast tuning of the focusing efficiency of a nonlinear atomically thin lens

La luz es la herramienta que utilizamos para ver el mundo, para capturar imágenes y para transmitir información. Durante siglos, los dispositivos que desvían y enfocan esta luz han dependido del volumen y el peso. Las lentes de vidrio tradicionales son piezas de material gruesas y curvas que ocupan espacio y no pueden reducirse fácilmente para caber dentro de los diminutos chips que impulsan nuestra electrónica moderna. Para hacer que los sistemas ópticos sean más pequeños y rápidos, los científicos han recurreiido a superficies planas hechas de patrones microscópicos, conocidas como metasuperficies, que pueden guiar la luz sin necesidad de una curvatura pesada. Entre estas, un diseño específico llamado placa de zona de Fresnel actúa como una lente al utilizar una serie de anillos concéntricos para concentrar la luz en un solo punto. Si bien estas lentes planas pueden fabricarse increíblemente delgadas, históricamente han sido objetos estáticos; una vez construidas, su capacidad para enfocar la luz es fija, y cambiar su rendimiento requiere ajustes mecánicos voluminosos y lentos o corrientes eléctricas que generan calor.

Un equipo de investigadores ha demostrado ahora una forma de hacer que estas lentes ultra delgadas sean activas y sensibles, capaces de cambiar cómo enfocan la luz en una fracción de segundo. Crearon una lente a partir de una sola capa de átomos, un material tan delgado que es esencialmente bidimensional, y demostraron que podían encender y apagar su capacidad de enfoque utilizando un segundo haz de luz. Este logro resuelve un problema de larga data en el campo: los métodos anteriores para controlar tales lentes eran o demasiado lentos para ser útiles en datos de alta velocidad, o demasiado débiles para marcar una diferencia notable. Al utilizar las propiedades únicas de este material atómico, los investigadores lograron una modulación de la eficiencia de enfoque que es tanto rápida como fuerte, abriendo un camino hacia dispositivos ópticos que pueden reconfigurarse instantáneamente sin partes móviles.

La lente en el corazón de este descubrimiento está hecha de un material llamado diseleniuro de tungsteno, que existe como una lámina estable de un solo átomo de espesor. Los investigadores modelaron esta lámina en forma de lente, consistiendo en veintidós anillos concéntricos, creando una estructura de solo cien micrómetros de ancho. En su estado natural, esta lente es transparente y no enfoca la luz bien porque el material es tan delgado que la mayor parte de la luz pasa directamente a través de él. Sin embargo, el material tiene una propiedad especial: cuando es golpeado por luz de un color específico, puede generar un nuevo color de luz a exactamente el doble de la frecuencia, un proceso conocido como generación de segundo armónico. Los investigadores diseñaron su experimento de modo que la lente enfocara esta luz recién generada en lugar de la luz que simplemente pasaba a través de ella.

Para probar la lente, el equipo proyectó un haz de luz sobre ella, lo que causó que la capa atómica emitiera un segundo haz de mayor frecuencia. Midieron dónde enfocaba este nuevo haz y encontraron que la lente concentraba con éxito la luz en un punto aproximadamente a doscientos micrómetros de distancia. La eficiencia de este enfoque fue sorprendentemente alta para un material tan delgado, demostrando que la lente funcionó según lo previsto. El verdadero avance ocurrió cuando introdujeron un segundo haz de luz, actuando como un interruptor de control. Este haz de control fue ajustado para excitar los electrones dentro de la capa atómica, cambiando efectivamente las propiedades ópticas del material por un breve momento.

Cuando el haz de control golpeó la lente, causó que los electrones se reorganizaran, lo que redujo inmediatamente la capacidad del material para generar y enfocar el segundo haz de luz. Este cambio ocurrió casi instantáneamente, dentro de un marco de tiempo medido en picosegundos, que es un billonésima de segundo. Los investigadores observaron que la intensidad de la luz enfocada cayó casi un treinta por ciento cuando el haz de control estaba activo. Este es un cambio significativo, especialmente considerando que el haz de control era relativamente débil, requiriendo menos de diez microjulios de energía por centímetro cuadrado. En contraste, cuando intentaron modular la lente usando el mismo haz de control pero sin el efecto especial de duplicación de frecuencia, el cambio en el enfoque fue de menos del uno por ciento, mostrando que el nuevo método es mucho más efectivo.

La velocidad de este conmutado está determinada por la rapidez con la que los electrones excitados en el material regresan a su estado de reposo. Los investigadores midieron este tiempo de recuperación y encontraron que la lente regresó a su estado original en unos diez picosegundos. Esta velocidad es órdenes de magnitud más rápida que los métodos anteriores que dependían de la electricidad o el calor para ajustar las lentes, los cuales a menudo tardaban milisegundos en responder. La capacidad de encender y apagar la lente tan rápidamente sugiere que estos dispositivos podrían usarse en tecnologías futuras que requieren ajustes rápidos, como el direccionamiento de haces láser para comunicación o la creación de interruptores ópticos ultra rápidos para la computación.

El estudio confirma que, al combinar la extrema delgadez de los materiales atómicos con la física de la generación de luz no lineal, es posible crear componentes ópticos que no solo son pequeños, sino también dinámicamente controlables. Los investigadores no solo observaron una posibilidad teórica; construyeron el dispositivo, midieron la luz y verificaron el tiempo de respuesta. Demostraron que la lente podía sintonizarse con un efecto grande utilizando un mecanismo muy rápido, una combinación que era previamente difícil de lograr. Este trabajo establece una nueva plataforma para la nanofotónica activa, donde el enfoque de la luz puede manipularse con la misma velocidad y precisión que las señales electrónicas que impulsan nuestro mundo moderno, pero utilizando la propia luz como el mecanismo de control.