دانشمندان نازک‌ترین عدسی تاریخ را که تنها ۳ اتم ضخامت دارد، ساخته‌اند که به‌جای شکست نور، با پراش نور و همچنین طول موج‌های خاص کار می‌کند.
به گزارش ایسنا، یک همکاری بین محققان منجر به ساخت نازک‌ترین عدسی جهان شده است که تنها سه اتم ضخامت دارد.
به نقل از ان‌ای، برخلاف لنزهای معمولی که از انحنای خود برای خم‌کردن نور استفاده می‌کنند، این لنز برای رسیدن به اثر مورد نظر خود از جلوه‌های کوانتومی استفاده می‌کند.
پژوهشگران مؤسسه فیزیک (IOP) در دانشگاه آمستردام در هلند و محققان دانشگاه استنفورد در ایالات متحده برای ساختن نازک‌ترین عدسی جهان همکاری کردند.
لنزها بیش‌از دو هزار سال است که وجود دارند و هربار که کسی از این کلمه استفاده می‌کند، تصویر یک شیشه کمی خمیده به ذهن خطور می‌کند. این شیشه خمیده، در اشکال و ترکیب‌های مختلف به ما کمک می‌کند بخوانیم، به موجوداتی که با چشم غیرمسلح قابل رؤیت نیستند نگاه کنیم و همچنین ستاره‌ها و سیارات دوردست را تماشا کنیم.
لنزها برای جمع‌آوری نور، خم‌کردن و تمرکز آن به‌سمت یک نقطه مشخص طراحی شده‌اند که اجسام را بزرگ می‌کنند تا دید ما را به آن‌ها بهبود بخشند و اجسام بسیار ریز را ازطریق میکروسکوپ ببینیم یا اجسام بسیار دور را ازطریق تلسکوپ ببینیم. آن‌ها معمولاً از شیشه خمیده یا سایر مواد شفاف مانند هیدروژل ساخته می‌شوند.
اما این طراحی سنتی به ساخت لنزهای بزرگ بسیار ضخیم و سنگین منجر می‌شود، به‌خصوص وقتی که از شیشه ساخته شده باشند.
برای صرفه‌جویی در مواد، در قرن نوزدهم یک طرح جایگزین به نام عدسی فرنزل (Fresnel) اختراع شد که در اصل برای استفاده در فانوس‌های دریایی بود. آن‌ها از یک مجموعه دایره‌های متحدالمرکز از مواد برای پراش نور به یک نقطه کانونی استفاده می‌کنند که وضوح تصویر را قربانی می‌کند، اما اجازه می‌دهد تا لنزهای بسیار نازک‌تری داشته باشیم.
حالا محققان مؤسسه فیزیک در دانشگاه آمستردام و همکارانشان در دانشگاه استنفورد رویکرد متفاوتی را برای توسعه لنزها اتخاذ کردند. آن‌ها از ماده منحصربه‌فردی به نام دی‌سولفید تنگستن (WS۲) برای ساخت عدسی مسطح به عرض نیم میلی‌متر و ضخامت ۰.۶ نانومتر استفاده کردند. برای مقایسه بد نیست بدانید که ضخامت یک تار موی انسان بین ۸۰ هزار تا ۱۰۰ هزار نانومتر است.
این لنز چگونه کار می‌کند؟
یک لنز خمیده معمولی براساس اصل شکست نور کار می‌کند. با توجه به ضخامت یک لنز معمولی، نور هنگام ورود به شیشه ابتدا خم می‌شود و پس‌از خروج یک بار دیگر خم می‌شود. حالا براساس انحنای هر عدسی، اجسام، بزرگتر یا نزدیک‌تر از آنچه هستند به ما به نظر می‌رسند.
ازآنجایی‌که این عدسی جدید دارای حلقه‌های متحدالمرکز WS۲ است و ضخامتی برای خم کردن نور ندارد، در عوض براساس اصل پراش نور کار می‌کند. این لنز، فرنل (Fresnel) یا زون پلیت (zone plate) نامیده می‌شود و اندازه یا فاصله بین حلقه‌ها فاصله کانونی آن را تعیین می‌کند.
این لنز به‌دلیل اثرات کوانتومی با مولکول‌های WS۲ کار می‌کند، جایی‌که آن‌ها ابتدا نور را با فرستادن یک الکترون به سطح انرژی بالاتر جذب می‌کنند.
ازآنجایی‌که این ماده فوق‌العاده نازک است، الکترون و حفره‌ای که دارای بار مثبت است، به‌دلیل جاذبه الکترواستاتیکی که بین آن‌ها وجود دارد، محدود می‌مانند که این اکسایتون (exciton) نامیده می‌شود.
اکسایتون‌ها به سرعت ناپدید می‌شوند، زیرا الکترون و حفره با هم ادغام می‌شوند و نور را از عدسی بیرون می‌فرستند. این ماده نور را در طول موج‌های خاص جذب و ساطع می‌کند که باعث می‌شود برای کاربردهای خاص بسیار کارآمد باشد.
درحالی‌که محققان یک اوج واضح را در بازده لنز در طول موج‌های خاص در دمای اتاق مشاهده کردند، این بازده زمانی که لنز خنک شد حتی بالاتر بود.
برنامه‌های کاربردی بالقوه
ازآنجایی‌که این لنز می‌تواند با طول موج‌های خاص کار کند، تنها بخشی از نوری که بر روی آن فرو می‌آید به نقطه کانونی آن هدایت می‌شود و بقیه نور بدون تأثیر از لنز عبور می‌کند. درحالی‌که این ممکن است به‌عنوان یک نقطه‌ضعف به نظر برسد، محققان قصد دارند از این ویژگی در برنامه‌هایی استفاده کنند که نور نیاز به عبور دارد.
این لنز را می‌توان در برنامه‌هایی مورد استفاده قرار داد که دید با لنز نباید مختل شود، اما می‌توان به بخش کوچکی از نور برای جمع‌آوری اطلاعات دست یافت.
جوریک وندگروپ استادیار مؤسسه فیزیک دانشگاه آمستردام که در این پروژه مشارکت داشت، می‌گوید که این ویژگی این لنز را برای دستگاه‌های پوشیدنی مانند عینک‌های واقعیت افزوده عالی می‌کند.
این تیم اکنون در تلاش است تا پوشش‌های این لنزها را بهبود بخشد تا بتوان آن‌ها را به‌صورت الکتریکی تنظیم کرد.
وندگروپ در بیانیه‌ای گفت: اکسایتون‌ها به چگالی بار در مواد بسیارحساس هستند و بنابراین می‌توانیم ضریب شکست ماده را با اعمال ولتاژ تغییر دهیم.
یافته‌های این پژوهش در مجله Nano Letters منتشر شده است.