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

Licht is het instrument dat we gebruiken om de wereld te zien, om beelden vast te leggen en om informatie over te dragen. Eeuwenlang vertrouwden de apparaten die dit licht buigen en focussen op volume en gewicht. Traditionele glazen lenzen zijn dikke, gebogen stukken materiaal die ruimte innemen en niet gemakkelijk kunnen worden verkleind om in de minuscule chips te passen die onze moderne elektronica aandrijven. Om optische systemen kleiner en sneller te maken, hebben wetenschappers zich gericht op platte oppervlakken gemaakt van microscopische patronen, bekend als metasurfaces, die licht kunnen sturen zonder de noodzaak van zware kromming. Onder deze vormen is een specifiek ontwerp genaamd een Fresnel-zoneplaat die als een lens werkt door gebruik te maken van een reeks concentrische ringen om licht in één enkel punt te concentreren. Hoewel deze platte lenzen extreem dun kunnen worden gemaakt, waren ze historisch gezien statische objecten; eenmaal gebouwd, staat hun vermogen om licht te focussen vast, en vereist het veranderen van hun prestaties trage, volumineuze mechanische aanpassingen of elektrische stromen die warmte genereren.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gedemonstreerd om deze ultra-dunne lenzen actief en responsief te maken, in staat om in een fractie van een seconde te veranderen hoe ze licht focussen. Ze creëerden een lens van een enkele laag atomen, een materiaal dat zo dun is dat het essentieel tweedimensionaal is, en lieten zien dat ze het focuserende vermogen ervan aan en uit konden schakelen met behulp van een tweede lichtstraal. Deze prestatie lost een langlopend probleem in het vakgebied op: eerdere methoden om dergelijke lenzen te besturen waren ofwel te traag voor bruikbaar hoogwaardige data, ofwel te zwak om een merkbaar verschil te maken. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van dit atomaire materiaal, bereikten de onderzoekers een modulatie van de focusefficiëntie die zowel snel als sterk is, wat de weg vrijmaakt voor optische apparaten die direct kunnen worden geconfigureerd zonder bewegende delen.

De lens die centraal staat bij deze ontdekking is gemaakt van een materiaal genaamd wolfraamdiselenide, dat bestaat als een stabiele laag van slechts één atoom dik. De onderzoekers vormden deze laag in een lensvorm bestaande uit vierentwintig concentrische ringen, wat een structuur oplevert die slechts honderd micrometer breed is. In haar natuurlijke staat is deze lens transparant en focust zij licht niet goed omdat het materiaal zo dun is dat het meeste licht er gewoon doorheen gaat. Het materiaal heeft echter een speciale eigenschap: wanneer het wordt geraakt door licht van een specifieke kleur, kan het een nieuwe kleur licht genereren op exact de dubbele frequentie, een proces dat bekend staat als tweede-harmonische generatie. De onderzoekers ontwierpen hun experiment zo dat de lens dit nieuw gegenereerde licht zou focussen in plaats van het licht dat er simpelweg doorheen ging.

Om de lens te testen, wierp het team een lichtstraal op de lens, wat ervoor zorgde dat de atomaire laag een tweede, hogere frequentie-lichtstraal uitzond. Ze maten waar deze nieuwe straal tot een focus kwam en stelden vast dat de lens het licht succesvol concentreerde in een punt ongeveer tweehonderd micrometer verderop. De efficiëntie van deze focussering was verrassend hoog voor een zo dun materiaal, wat bewees dat de lens werkte zoals bedoeld. De echte doorbraak kwam toen ze een tweede lichtstraal introduceerden, die fungeerde als een controleschakelaar. Deze controlebundel werd afgestemd om de elektronen binnen de atomaire laag te exciteren, waardoor de optische eigenschappen van het materiaal voor een kort moment effectief werden veranderd.

Wanneer de controlebundel de lens raakte, veroorzaakte dit dat de elektronen zich herrangschikten, wat het vermogen van het materiaal om de tweede straal te genereren en te focussen onmiddellijk verminderde. Deze verandering gebeurde bijna onmiddellijk, binnen een tijdsbestek gemeten in picoseconden, wat een biljardste van een seconde is. De onderzoekers observeerden dat de intensiteit van het gefocuste licht met bijna dertig procent daalde wanneer de controlebundel actief was. Dit is een significante verandering, vooral gezien het feit dat de controlebundel relatief zwak was en minder dan tien microjoules per vierkante centimeter energie vereiste. In contrast hiermee, toen ze probeerden de lens te moduleren met dezelfde controlebundel maar zonder het speciale frequentieverdubbelingseffect, was de verandering in focus minder dan één procent, wat aantoont dat de nieuwe methode veel effectiever is.

De snelheid van dit schakelen wordt bepaald door hoe snel de geëxciteerde elektronen in het materiaal terugkeren naar hun rusttoestand. De onderzoekers maten deze hersteltijd en vonden dat de lens in ongeveer tien picoseconden terugkeerde naar zijn oorspronkelijke staat. Deze snelheid is meerdere grootheden sneller dan eerdere methoden die vertrouwden op elektriciteit of warmte om lenzen af te stemmen, die vaak milliseconden nodig hadden om te reageren. Het vermogen om de lens zo snel aan en uit te schakelen suggereert dat deze apparaten in de toekomst gebruikt kunnen worden voor technologieën die snelle aanpassingen vereisen, zoals het sturen van laserstralen voor communicatie of het creëren van ultra-snelle optische schakelaars voor computing.

De studie bevestigt dat door de extreme dunheid van atomaire materialen te combineren met de fysica van niet-lineaire lichtgeneratie, het mogelijk is om optische componenten te creëren die niet alleen klein, maar ook dynamisch controleerbaar zijn. De onderzoekers hebben niet alleen een theoretische mogelijkheid waargenomen; ze bouwden het apparaat, maten het licht en verifieerden de timing van de respons. Ze toonden aan dat de lens met een groot effect getuned kon worden met een zeer snel mechanisme, een combinatie die voorheen moeilijk te bereiken was. Dit werk vestigt een nieuw platform voor actieve nanofotonica, waarbij de focus van licht gemanipuleerd kan worden met dezelfde snelheid en precisie als de elektronische signalen die onze moderne wereld aandrijven, maar door gebruik te maken van licht zelf als het controlemechanisme.