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

La luce è lo strumento che usiamo per vedere il mondo, per catturare immagini e per trasmettere informazioni. Per secoli, i dispositivi che piegano e focalizzano questa luce hanno fatto affidamento su volume e peso. Le lenti tradizionali in vetro sono pezzi di materiale spessi e curvi che occupano spazio e non possono essere facilmente rimpiccioliti per adattarsi ai minuscoli chip che alimentano la nostra moderna elettronica. Per rendere i sistemi ottici più piccoli e veloci, gli scienziati si sono rivolti a superfici piatte composte da modelli microscopici, note come metasuperfici, che possono guidare la luce senza la necessità di una pesante curvatura. Tra queste, un design specifico chiamato piastra di zona di Fresnel agisce come una lente utilizzando una serie di anelli concentrici per concentrare la luce in un singolo punto. Sebbene queste lenti piatte possano essere rese incredibilmente sottili, storicamente sono state oggetti statici; una volta costruite, la loro capacità di focalizzare la luce è fissa, e cambiare le loro prestazioni richiede regolazioni meccaniche lente e ingombranti o correnti elettriche che generano calore.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un modo per rendere queste lenti ultra-sottili attive e reattive, capaci di cambiare il modo in cui focalizzano la luce in una frazione di secondo. Hanno creato una lente da un singolo strato di atomi, un materiale così sottile da essere essenzialmente bidimensionale, e hanno dimostrato di poter attivare e disattivare la sua capacità di focalizzazione utilizzando un secondo fascio di luce. Questo traguardo risolve un problema di lunga data nel campo: i metodi precedenti per controllare tali lenti erano o troppo lenti per essere utili per i dati ad alta velocità o troppo deboli per fare una differenza degna di nota. Utilizzando le proprietà uniche di questo materiale atomico, i ricercatori hanno ottenuto una modulazione dell'efficienza di focalizzazione che è sia rapida che forte, aprendo la strada a dispositivi ottici che possono essere riconfigurati istantaneamente senza parti in movimento.

La lente al centro di questa scoperta è fatta di un materiale chiamato diselenuro di tungsteno, che esiste come un foglio stabile spesso un solo atomo. I ricercatori hanno modellato questo foglio in una forma a lente composta da ventidue anelli concentrici, creando una struttura larga solo cento micrometri. Nel suo stato naturale, questa lente è trasparente e non focalizza bene la luce perché il materiale è così sottile che la maggior parte della luce vi passa attraverso direttamente. Tuttavia, il materiale ha una proprietà speciale: quando colpito dalla luce di un colore specifico, può generare un nuovo colore di luce alla frequenza esattamente doppia, un processo noto come generazione di seconda armonica. I ricercatori hanno progettato il loro esperimento in modo che la lente focalizzasse questa luce appena generata piuttosto che la luce che semplicemente passava attraverso.

Per testare la lente, il team ha proiettato un fascio di luce su di essa, il che ha causato allo strato atomico di emettere un secondo fascio a frequenza più elevata. Hanno misurato dove questo nuovo fascio arrivava a fuoco e hanno scoperto che la lente riusciva a concentrare la luce in un punto a circa duecento micrometri di distanza. L'efficienza di questa focalizzazione è stata sorprendentemente alta per un materiale così sottile, dimostrando che la lente funzionava come previsto. La vera svolta è avvenuta quando hanno introdotto un secondo fascio di luce, agendo come interruttore di controllo. Questo fascio di controllo è stato sintonizzato per eccitare gli elettroni all'interno dello strato atomico, cambiando efficacementmente le proprietà ottiche del materiale per un breve momento.

Quando il fascio di controllo ha colpito la lente, ha causato il riarrangiamento degli elettroni, riducendo immediatamente la capacità del materiale di generare e focalizzare il secondo fascio di luce. Questo cambiamento è avvenuto quasi istantaneamente, in un intervallo di tempo misurato in picosecondi, ovvero un millionesimo di millesimo di secondo. I ricercatori hanno osservato che l'intensità della luce focalizzata è diminuita di quasi il trenta per cento quando il fascio di controllo era attivo. Questo è un cambiamento significativo, soprattutto considerando che il fascio di controllo era relativamente debole, richiedendo meno di dieci microjoule di energia per centimetro quadrato. Al contrario, quando hanno provato a modulare la lente usando lo stesso fascio di controllo ma senza il particolare effetto di raddoppio della frequenza, la variazione del fuoco era inferiore all'uno per cento, dimostrando che il nuovo metodo è di gran lunga più efficace.

La velocità di questo passaggio è determinata dalla rapidità con cui gli elettroni eccitati nel materiale tornano al loro stato di riposo. I ricercatori hanno misurato questo tempo di recupero e hanno scoperto che la lente è tornata al suo stato originale in circa dieci picosecondi. Questa velocità è di ordini di grandezza superiore rispetto ai metodi precedenti che si affidavano all'elettricità o al calore per sintonizzare le lenti, che spesso richiedevano millisecondi per rispondere. La capacità di accendere e spegnere la lente così rapidamente suggerisce che questi dispositivi potrebbero essere utilizzati nelle tecnologie future che richiedono regolazioni rapide, come l'indirizzamento di fasci laser per le comunicazioni o la creazione di interruttori ottici ultra-veloci per l'informatica.

Lo studio conferma che combinando l'estrema sottigliezza dei materiali atomici con la fisica della generazione di luce non lineare, è possibile creare componenti ottici che non siano solo piccoli, ma anche dinamicamente controllabili. I ricercatori non si sono limitati a osservare una possibilità teorica; hanno costruito il dispositivo, misurato la luce e verificato la tempistica della risposta. Hanno dimostrato che la lente poteva essere sintonizzata con un grande effetto utilizzando un meccanismo molto veloce, una combinazione che era precedentemente difficile da ottenere. Questo lavoro stabilisce una nuova piattaforma per la nanofotonica attiva, dove il fuoco della luce può essere manipolato con la stessa velocità e precisione dei segnali elettronici che guidano il nostro mondo moderno, ma utilizzando la luce stessa come meccanismo di controllo.