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

A luz é a ferramenta que usamos para ver o mundo, para capturar imagens e para transmitir informações. Durante séculos, os dispositivos que dobram e focam essa luz dependeram de volume e peso. As lentes de vidro tradicionais são peças de material espessas e curvas que ocupam espaço e não podem ser facilmente reduzidas para caber dentro dos minúsculos chips que alimentam nossa eletrônica moderna. Para tornar os sistemas ópticos menores e mais rápidos, cientistas recorreram a superfícies planas feitas de padrões microscópicos, conhecidas como metassuperfícies, que podem guiar a luz sem a necessidade de curvatura pesada. Entre estas, um design específico chamado placa de zona de Fresnel atua como uma lente ao usar uma série de anéis concêntricos para concentrar a luz em um único ponto. Embora essas lentes planas possam ser feitas incrivelmente finas, elas foram historicamente objetos estáticos; uma vez construídas, sua capacidade de focar a luz é fixa, e mudar seu desempenho exige ajustes mecânicos lentos e volumosos ou correntes elétricas que geram calor.

Uma equipe de pesquisadores demonstrou agora uma maneira de tornar essas lentes ultrafinas ativas e responsivas, capazes de mudar a forma como focam a luz em uma fração de segundo. Eles criaram uma lente a partir de uma única camada de átomos, um material tão fino que é essencialmente bidimensional, e mostraram que poderiam alternar seu poder de foco ligando-o e desligando-o usando um segundo feixe de luz. Esta conquista resolve um problema de longa data no campo: os métodos anteriores para controlar tais lentes eram ou lentos demais para serem úteis para dados de alta velocidade ou fracos demais para fazer uma diferença perceptível. Ao usar as propriedades únicas deste material atômico, os pesquisadores alcançaram uma modulação da eficiência de foco que é simultaneamente rápida e forte, abrindo um caminho para dispositivos ópticos que podem ser reconfigurados instantaneamente sem partes móveis.

A lente no coração desta descoberta é feita de um material chamado disseleneto de tungstênio, que existe como uma folha estável de apenas um átomo de espessura. Os pesquisadores padronizaram esta folha em um formato de lente consistindo em vinte e dois anéis concêntricos, criando uma estrutura de apenas cem micrômetros de largura. Em seu estado natural, esta lente é transparente e não foca bem a luz porque o material é tão fino que a maior parte da luz passa direto por ele. No entanto, o material possui uma propriedade especial: quando atingido pela luz de uma cor específica, ele pode gerar uma nova cor de luz exatamente com o dobro da frequência, um processo conhecido como geração de segunda harmônica. Os pesquisadores projetaram seu experimento para que a lente focasse esta luz recém-gerada em vez da luz que simplesmente passava por ela.

Para testar a lente, a equipe incidiu um feixe de luz sobre ela, o que fez com que a camada atômica emitisse um segundo feixe de frequência mais alta. Eles mediram onde este novo feixe vinha a um foco e descobriram que a lente concentrou com sucesso a luz em um ponto aproximadamente a duzentos micrômetros de distância. A eficiência deste foco foi surpreendentemente alta para um material tão fino, provando que a lente funcionou conforme o pretendido. O verdadeiro avanço ocorreu quando introduziram um segundo feixe de luz, atuando como um interruptor de controle. Este feixe de controle foi ajustado para excitar os elétrons dentro da camada atômica, efetivamente alterando as propriedades ópticas do material por um breve momento.

Quando o feixe de controle atingiu a lente, ele fez com que os elétrons se rearranjassem, o que reduziu imediatamente a capacidade do material de gerar e focar o segundo feixe de luz. Essa mudança ocorreu quase instantaneamente, dentro de um tempo medido em picossegundos, que é um trilionésimo de segundo. Os pesquisadores observaram que a intensidade da luz focada caiu quase trinta por cento quando o feixe de controle estava ativo. Esta é uma mudança significativa, especialmente considerando que o feixe de controle era relativamente fraco, exigindo menos de dez microjoules de energia por centímetro quadrado. Em contraste, quando tentaram modular a lente usando o mesmo feixe de controle, mas sem o efeito especial de duplicação de frequência, a mudança no foco foi inferior a um por cento, mostrando que o novo método é vastamente mais eficaz.

A velocidade deste chaveamento é determinada pela rapidez com que os elétrons excitados no material retornam ao seu estado de repouso. Os pesquisadores mediram este tempo de recuperação e descobriram que a lente retornou ao seu estado original em cerca de dez picosegundos. Esta velocidade é ordens de magnitude mais rápida do que os métodos anteriores que dependiam de eletricidade ou calor para ajustar lentes, que frequentemente levavam milissegundos para responder. A capacidade de ligar e desligar a lente tão rapidamente sugere que estes dispositivos poderiam ser usados em tecnologias futuras que exigem ajustes rápidos, como o direcionamento de feixes de laser para comunicação ou a criação de interruptores ópticos ultra-rápidos para computação.

O estudo confirma que, ao combinar a extrema finura de materiais atômicos com a física da geração de luz não linear, é possível criar componentes ópticos que não são apenas pequenos, mas também dinamicamente controláveis. Os pesquisadores não apenas observaram uma possibilidade teórica; eles construíram o dispositivo, mediram a luz e verificaram o tempo de resposta. Eles mostraram que a lente poderia ser ajustada com um grande efeito usando um mecanismo muito rápido, uma combinação que era anteriormente difícil de alcançar. Este trabalho estabelece uma nova plataforma para a nanofotônica ativa, onde o foco da luz pode ser manipulado com a mesma velocidade e precisão dos sinais eletrônicos que impulsionam nosso mundo moderno, mas usando a própria luz como o mecanismo de controle.