Tebalnya Hanya Tiga Atom – Para Ilmuwan Telah Mengembangkan Lensa Tertipis di Dunia
Lensa tertipis di Bumi, terbuat dari cincin konsentris tungsten disulfida (WS2), menggunakan rangsangan untuk memfokuskan cahaya secara efisien. Lensanya setebal satu lapisan WS2, tebalnya hanya tiga atom. Kiri bawah menunjukkan eksiton: elektron tereksitasi yang terikat pada 'lubang' bermuatan positif di kisi atom. Kredit: Ludovica Guarneri dan Thomas Bauer
Para peneliti telah menciptakan lensa datar inovatif yang tebalnya hanya tiga atom menggunakan efek kuantum, yang berpotensi mengubah augmented actuality dengan menawarkan peningkatan visible yang tidak terlalu mengganggu.
Lensa biasanya memanipulasi cahaya melalui permukaan melengkungnya. Namun, para peneliti dari Universitas Amsterdam dan Universitas Stanford telah mengembangkan lensa datar yang tebalnya hanya tiga atom, memanfaatkan efek kuantum untuk membelokkan dan memfokuskan cahaya. Lensa inovatif ini mungkin akan dimasukkan ke dalam kacamata augmented actuality di masa depan.
Saat Anda membayangkan sebuah lensa, Anda mungkin membayangkan sepotong kaca melengkung. Lensa jenis ini berfungsi karena cahaya dibiaskan (dibengkokkan) saat masuk ke dalam kaca, dan dibiaskan lagi saat keluar, sehingga memungkinkan kita membuat benda tampak lebih besar atau lebih dekat dari yang sebenarnya. Kami telah menggunakan lensa melengkung selama lebih dari dua milenium, memungkinkan kami mempelajari pergerakan planet dan bintang yang jauh, mengungkap mikroorganisme kecil, dan meningkatkan penglihatan kami.
Ludovico Guarneri, Thomas Bauer, dan Jorik van de Groep dari Universitas Amsterdam, bersama rekan-rekannya dari Universitas Stanford di California, mengambil pendekatan berbeda. Menggunakan satu lapisan bahan unik yang disebut tungsten disulfida (WS2 singkatnya), mereka membuat lensa datar dengan lebar setengah milimeter, tetapi tebalnya hanya 0,0000006 milimeter, atau 0,6 nanometer. Ini menjadikannya lensa tertipis di dunia!
Daripada mengandalkan bentuk melengkung, lensanya terbuat dari cincin konsentris WS2 dengan celah di antaranya. Ini disebut 'lensa Fresnel' atau 'lensa pelat zona', dan memfokuskan cahaya menggunakan difraksi, bukan pembiasan. Ukuran dan jarak antar cincin (dibandingkan dengan panjang gelombang cahaya yang mengenainya) menentukan panjang fokus lensa. Desain yang digunakan di sini berfokus pada cahaya merah 1 mm dari lensa.
Peningkatan Kuantum
Fitur unik lensa ini adalah efisiensi pemfokusannya bergantung pada efek kuantum dalam WS2. Efek ini memungkinkan bahan menyerap dan memancarkan kembali cahaya secara efisien pada panjang gelombang tertentu, memberikan lensa kemampuan bawaan untuk bekerja lebih baik pada panjang gelombang tersebut.
Peningkatan kuantum ini bekerja sebagai berikut. Pertama, WS2 menyerap cahaya dengan mengirimkan elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi. Karena struktur materials yang sangat tipis, elektron bermuatan negatif dan 'lubang' bermuatan positif yang ditinggalkannya dalam kisi atom tetap terikat oleh gaya tarik elektrostatis di antara keduanya, membentuk apa yang dikenal sebagai 'eksiton'. Rangsangan ini dengan cepat menghilang lagi karena elektron dan lubang bergabung dan memancarkan cahaya. Cahaya yang dipancarkan kembali ini berkontribusi terhadap efisiensi lensa.
Para ilmuwan mendeteksi puncak yang jelas dalam efisiensi lensa untuk panjang gelombang cahaya tertentu yang dikirim oleh rangsangan. Meskipun efeknya sudah terlihat pada suhu ruangan, lensa bahkan lebih efisien saat didinginkan. Hal ini karena eksiton bekerja lebih baik pada suhu yang lebih rendah.
Realitas Tertambah
Salah satu fitur unik lensa lainnya adalah, meskipun sebagian cahaya yang melewatinya menghasilkan titik fokus yang terang, sebagian besar cahaya melewatinya tanpa terpengaruh. Meskipun hal ini mungkin terdengar merugikan, hal ini sebenarnya membuka pintu baru untuk penggunaan teknologi masa depan. “Lensa dapat digunakan dalam aplikasi di mana pandangan melalui lensa tidak boleh terganggu, namun sebagian kecil cahaya dapat dimanfaatkan untuk mengumpulkan informasi. Hal ini membuatnya sempurna untuk kacamata yang dapat dikenakan seperti augmented actuality,” jelas Jorik van de Groep, salah satu penulis makalah ini.
Para peneliti kini mengarahkan perhatian mereka pada perancangan dan pengujian lapisan optik yang lebih kompleks dan multifungsi yang fungsinya (seperti memfokuskan cahaya) dapat disesuaikan secara elektrik. “Eksiton sangat sensitif terhadap kepadatan muatan dalam materials, dan oleh karena itu kita dapat mengubah indeks bias materials dengan memberikan tegangan,” kata Van de Groep. Masa depan materials eksitonik cerah!
Referensi: “Manipulasi Cahaya Eksitonik yang Bergantung pada Suhu dengan Elemen Optik yang Tipis Secara Atom” oleh Ludovica Guarneri, Qitong Li, Thomas Bauer, Jung-Hwan Track, Ashley P. Saunders, Fang Liu, Mark L. Brongersma dan Jorik van de Groep, 5 April 2024, Surat Nano.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00694
