来源:Nano Letters(2024)

透镜用来弯曲和聚焦光线。普通透镜依靠其弯曲的形状来实现这种效果，但阿姆斯特丹大学和斯坦福大学的物理学家利用量子效应制造了一种只有三个原子厚度的平面透镜。这种类型的镜头可以用于未来的增强现实眼镜。

弯曲玻璃透镜的工作原理是光线在进入玻璃时发生折射(弯曲)，在离开时再次发生折射(弯曲)，使物体看起来比实际更大或更近。两千多年来，人们一直使用曲面透镜来研究遥远的行星和恒星的运动，揭示微小的微生物，并改善视力。

阿姆斯特丹大学的Ludovico Guarneri、Thomas Bauer和Jorik van de Groep以及来自加州斯坦福大学的同事们采用了一种不同的方法。他们使用一种叫做二硫化钨(简称WS2)的独特材料单层，构建了一个半毫米宽的平面透镜，但厚度只有0.0000006毫米，即0.6纳米。这使得它成为地球上最薄的透镜。

透镜不是依靠弯曲的形状，而是由WS2的同心圆组成，中间有间隙。这被称为“菲涅耳透镜”或“带板透镜”，它利用衍射而不是折射来聚焦光线。环的大小和环之间的距离(与入射光的波长相比)决定了透镜的焦距。这里使用的设计聚焦红光距镜头1毫米。

这项研究发表在《纳米快报》杂志上。

量子增强

该透镜的独特之处在于其聚焦效率依赖于WS2内部的量子效应。这些效果使材料能够有效地吸收和重新发射特定波长的光，使镜片具有更好地工作于这些波长的内置能力。

这种量子增强的工作原理如下。首先，WS2通过发送一个电子到更高的能级来吸收光。由于材料的超薄结构，带负电荷的电子和它在原子晶格中留下的带正电荷的“空穴”在它们之间的静电吸引下保持在一起，形成了所谓的“激子”。

由于电子和空穴合并并发出光，这些激子很快又消失了。这种重新发射的光有助于透镜的效率。

科学家们发现，对于激子发出的特定波长的光，透镜效率有一个明显的峰值。虽然在室温下已经观察到这种效果，但当冷却时，这种透镜的效率更高。这是因为激子在较低的温度下工作得更好。

增强现实

这种镜头的另一个独特之处在于，虽然一些光线穿过它会形成一个明亮的焦点，但大多数光线不会受到影响。虽然这听起来像是一个缺点，但它实际上为未来的技术应用打开了新的大门。

“该镜头可用于不应干扰透过镜头的视野的应用，但可以利用一小部分光线来收集信息。这使得它非常适合用于增强现实等可穿戴眼镜，”该论文的作者之一Jorik van de Groep解释说。

研究人员现在正着眼于设计和测试更复杂和多功能的光学涂层，其功能(如聚焦光)可以电调节。

“激子对材料中的电荷密度非常敏感，因此我们可以通过施加电压来改变材料的折射率，”Van de Groep说。