محققان موفق به تولید نازک‌ترین عدسی جهان شده‌اند که تنها سه اتم ضخامت دارد و به جای شکستن نور، از طریق پراش و موج‌های خاصی عمل می‌کند.
یک مجموعه همکاری علمی به ساخت این عدسی فوق‌العاده نازک دست یافته است که تنها به اندازه سه اتم ضخامت دارد.
به نقل از ان‌ای، برخلاف لنزهای سنتی که برای خم کردن نور از انحنای خود بهره می‌برند، این لنز برای دستیابی به اثرات مطلوب خود به پدیده‌های کوانتومی متکی است.
پژوهشگران مؤسسه فیزیک(IOP) در دانشگاه آمستردام و دانشگاه استنفورد در ایالت متحده به همکاری در جهت ساخت این عدسی نازک پرداخته‌اند.
لنزها پنجمین میلی‌متر از تاریخ علم هستند و به محض شنیدن این واژه، تصویری از شیشه‌ای کمی منحنی در ذهن تداعی می‌شود. این شیشه‌های منحنی، در شکل‌ها و ترکیب‌های گوناگون به ما این امکان را می‌دهند که متون را بخوانیم، به موجودات میکروسکوپی نگاه کنیم و همچنین ستاره‌ها و سیارات دوردست را مشاهده نماییم.
وظیفه لنزها جمع‌آوری نور، خم کردن و متمرکز کردن آن به سمت یک نقطه خاص است که به این ترتیب اجسام را بزرگ‌تر جلوه می‌دهد و امکان مشاهده دقیق‌تر اجسام کوچک از طریق میکروسکوپ و اجسام دور از طریق تلسکوپ را فراهم می‌آورد. معمولاً این لنزها از شیشه‌های منحنی یا مواد شفاف مشابه هیدروژل ساخته می‌شوند.
اما طراحی سنتی، به تولید لنزهای بزرگ، ضخیم و سنگین منجر می‌شود، به ویژه زمانی که این لنزها از شیشه ساخته شده باشند.
برای کاهش مصرف مواد، در قرن نوزدهم عدسی‌های فرنزل(Fresnel) معرفی شدند که ابتدا برای استفاده در فانوس‌های دریایی طراحی شده بودند. این عدسی‌ها با استفاده از مجموعه‌ای از دایره‌های متحدالمرکز از مواد، نور را به یک نقطه کانونی متمرکز می‌کنند و در عوض کیفیت تصویر را کاهش می‌دهند، اما باعث می‌شوند که بتوانیم لنزهای بسیار نازک‌تری تولید کنیم.
اکنون محققان مؤسسه فیزیک در دانشگاه آمستردام و همکارانشان در دانشگاه استنفورد رویکردی نوین را برای توسعه لنزها به کار گرفته‌اند. آنها از ماده منحصر به فردی به نام دی سولفید تنگستن(WS۲) برای ایجاد عدسی تختی با عرض نیم میلی‌متر و ضخامت ۰.۶ نانومتر بهره جسته‌اند. به منظور مقایسه، ضخامت یک تار موی انسان حدود ۸۰ هزار تا ۱۰۰ هزار نانومتر است.
چگونه این لنز عمل می‌کند؟
عدسی‌های معمولی بر اساس اصل شکست نور عمل می‌کنند. با توجه به ضخامت آنها، نور در هنگام ورود به شیشه ابتدا منحرف می‌شود و پس از خروج دوباره تغییر مسیر می‌دهد. بر اساس انحنای هر لنز، اجسام ممکن است بزرگ‌تر یا نزدیک‌تر از آنچه که در حقیقت هستند به نظر برسند.
با توجه به اینکه این عدسی جدید دارای حلقه‌های متحدالمرکز WS۲ است و به دلیل ضخامتش نمی‌تواند نور را منحرف کند، لذا بر اساس قانون پراش نور عمل می‌کند. این لنز، به نام‌های فرنل(Fresnel) و زون پلیت(zone plate) شناخته می‌شود و سایز یا فاصله حلقه‌ها فاصله کانونی آن را تعیین می‌کند.
این عدسی به دلیل تعاملات کوانتومی موجود در مولکول‌های WS۲ عمل می‌کند، جایی که نور با ارسال یک الکترون به سطح انرژی بالاتر جذب می‌شود.
از آنجایی که این ماده فوق‌العاده نازک است، الکترون و حفره‌ای با بار مثبت به دلیل جاذبه الکترواستاتیکی که بین آنها وجود دارد، تحت کنترل باقی می‌مانند که این حالت “اکسایتون” (exciton) نامیده می‌شود.
اکسایتون‌ها به سرعت ناپدید می‌شوند، زیرا الکترون و حفره با هم ادغام شده و نور را از عدسی خارج می‌سازند. این ماده قادر است نور را در طول موج‌های خاص جذب و انتشار دهد که آن را بسیار کارآمد برای کاربردهای خاص می‌سازد.
محققان در دماهای اتاق، بازده قابل توجهی را در عمل کرد لنز در طول موج‌های خاص مشاهده کردند و بازده این لنز هنگامی که خنک می‌شود حتی افزایش می‌یابد.
پتانسیل‌های کاربردی
از آنجایی که این لنز می‌تواند در طول موج‌های ویژه کار کند، فقط بخشی از نوری که به آن برخورد می‌کند به نقطه کانونی هدایت می‌شود و باقی نور بدون هیچ تأثیری از لنز عبور می‌کند. شاید این ویژگی ابتدا به‌عنوان یک نقطه ضعف به نظر برسد، اما محققان قصد دارند از این قابلیت در برنامه‌هایی استفاده کنند که در آنجا نیاز به عبور نور احساس می‌شود.
این لنز می‌تواند در جوانب مختلفی بکار گرفته شود که در آن دید توسط لنز نباید مختل شود، اما می‌توان به بخشی مشخص از نور جهت جمع‌آوری اطلاعات دست یافت.
جوریک وندگروپ، استادیار موسسه فیزیک دانشگاه آمستردام که در این پروژه مهم مشارکت داشته، بیان می‌کند که این ویژگی، این لنز را برای دستگاه‌های پوشیدنی مانند عینک‌های واقعیت افزوده بسیار مناسب می‌سازد.
این تیم هم‌اکنون در تلاش است تا پوشش این لنزها را بهبود بخشد تا قابلیت تنظیم الکتریکی برای آنها فراهم گردد.
وندگروپ در یک بیانیه اشاره کرده است که اکسایتون‌ها به چگالی بار در مواد بسیار حساس هستند و بنابراین امکان دارد با انجام ولتاژ، ضریب شکست ماده را تغییر دهند.
نتایج این تحقیق در مجله Nano Letters منتشر شده است.