La lentille la plus fine sur Terre, constituée d'anneaux concentriques de disulfure de tungstène (WS2), utilise des excitons pour focaliser efficacement la lumière. La lentille est aussi épaisse qu’une seule couche de WS2, soit seulement trois atomes d’épaisseur. Le coin inférieur gauche montre un exciton : un électron excité lié au « trou » chargé positivement dans le réseau atomique. Crédit : Ludovica Guarneri et Thomas Bauer
Les chercheurs ont créé une lentille plate révolutionnaire d’une épaisseur de seulement trois atomes en utilisant des effets quantiques, transformant potentiellement la réalité augmentée en offrant des améliorations visuelles moins obstructives.
Les lentilles manipulent généralement la lumière à travers leurs surfaces incurvées. Cependant, des chercheurs de l’Université d’Amsterdam et de l’Université de Stanford ont développé une lentille plate de seulement trois atomes d’épaisseur, utilisant des effets quantiques pour courber et focaliser la lumière. Cette lentille innovante pourrait être intégrée dans le futur aux lunettes de réalité augmentée.
Lorsque vous imaginez un objectif, vous imaginez probablement un morceau de verre incurvé. Ce type de lentille fonctionne parce que la lumière est réfractée (courbée) lorsqu'elle entre dans le verre, puis à nouveau lorsqu'elle en sort, ce qui nous permet de faire paraître les objets plus grands ou plus proches qu'ils ne le sont réellement. Nous utilisons des lentilles incurvées depuis plus de deux millénaires, ce qui nous permet d’étudier les mouvements de planètes et d’étoiles lointaines, de révéler de minuscules micro-organismes et d’améliorer notre vision.
Ludovico Guarneri, Thomas Bauer et Jorik van de Groep de l'Université d'Amsterdam, ainsi que des collègues de l'Université Stanford en Californie, ont adopté une approche différente. Utilisant une seule couche d'un matériau unique appelé disulfure de tungstène (WS2 en abrégé), ils ont construit une lentille plate d'un demi-millimètre de large, mais d'une épaisseur de seulement 0,0000006 millimètres, ou 0,6 nanomètre. Cela en fait l'objectif le plus fin au monde !
Plutôt que de s'appuyer sur une forme incurvée, la lentille est constituée d'anneaux concentriques de WS2 avec des espaces entre les deux. C'est ce qu'on appelle une « lentille de Fresnel » ou une « lentille à plaque de zone », et elle focalise la lumière en utilisant la diffraction plutôt que la réfraction. La taille et la distance entre les anneaux (par rapport à la longueur d'onde de la lumière qui les frappe) déterminent la distance focale de l'objectif. La conception utilisée ici se concentre sur la lumière rouge à 1 mm de la lentille.
Amélioration quantique
Une caractéristique unique de cet objectif est que son efficacité de mise au point repose sur des effets quantiques au sein du WS.2. Ces effets permettent au matériau d'absorber et de réémettre efficacement la lumière à des longueurs d'onde spécifiques, donnant à la lentille la capacité intégrée de mieux fonctionner pour ces longueurs d'onde.
Cette amélioration quantique fonctionne comme suit. Tout d'abord, WS2 absorbe la lumière en envoyant un électron à un niveau d’énergie plus élevé. En raison de la structure ultra-mince du matériau, l'électron chargé négativement et le « trou » chargé positivement qu'il laisse dans le réseau atomique restent liés ensemble par l'attraction électrostatique entre eux, formant ce que l'on appelle un « exciton ». Ces excitons disparaissent rapidement à nouveau lorsque l'électron et le trou fusionnent et émettent de la lumière. Cette lumière réémise contribue à l'efficacité de l'objectif.
Les scientifiques ont détecté un net pic d’efficacité de la lentille pour les longueurs d’onde spécifiques de la lumière émise par les excitons. Si l’effet est déjà observé à température ambiante, les lentilles sont encore plus efficaces une fois refroidies. En effet, les excitons font mieux leur travail à des températures plus basses.
Réalité augmentée
Une autre caractéristique unique de l'objectif est que, même si une partie de la lumière qui le traverse constitue un point focal lumineux, la majeure partie de la lumière le traverse sans être affectée. Bien que cela puisse sembler un inconvénient, cela ouvre en réalité de nouvelles portes pour une utilisation dans la technologie du futur. « La lentille peut être utilisée dans des applications où la vue à travers la lentille ne doit pas être perturbée, mais où une petite partie de la lumière peut être exploitée pour collecter des informations. Cela le rend parfait pour les lunettes portables comme pour la réalité augmentée », explique Jorik van de Groep, l'un des auteurs de l'article.
Les chercheurs se tournent désormais vers la conception et le test de revêtements optiques plus complexes et multifonctionnels dont la fonction (telle que la focalisation de la lumière) peut être ajustée électriquement. « Les excitons sont très sensibles à la densité de charge dans le matériau et nous pouvons donc modifier l'indice de réfraction du matériau en appliquant une tension », explique Van de Groep. L’avenir des matériaux excitoniques est prometteur !
