Natuurkundigen hebben een superdunne lens ontworpen van slechts drie atomen dik. Deze concentreert licht niet door zijn kromming, zoals normale lenzen doen, maar met behulp van quantumeffecten.

Zelfs als je behoorlijk bijziend bent, hoef je niet rond te lopen met een bril met dikke jampotglazen. Dunne contactlenzen zijn prima in staat om je slechte zicht te corrigeren. Maar lenzen kunnen nog veel dunner. Natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam en de Amerikaanse Stanford-universiteit hebben een lens ontwikkeld van slechts drie atoomlagen dik. Daarmee is het de dunste lens ooit. Dankzij quantumeffecten focust deze lens een klein deel van het licht, terwijl de rest er ongehinderd doorheen beweegt.

‘Dat betekent dat de lens vrijwel transparant is en dus praktisch onzichtbaar voor het oog’, zegt natuurkundige Jorik van de Groep van de Universiteit van Amsterdam. ‘Dit biedt de mogelijkheid om een heel klein deel van het binnenkomende licht af te tappen en te focusseren op bijvoorbeeld een camera. Hierdoor kun je informatie winnen over de omgeving zonder dat het zicht geblokkeerd wordt. Dit kan nuttig zijn in bijvoorbeeld augmented reality-brillen.’ De onderzoekers rapporteerden over hun werk in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.

Lachgasgehalte atmosfeer groeit alarmerend snel
LEES OOK

Lachgasgehalte atmosfeer groeit alarmerend snel

De uitstoot van het krachtige broeikasgas N2O blijft toenemen, met name door de landbouw.

Dunste lens

Bij een lens denken de meeste mensen waarschijnlijk aan een bol of hol stuk glas of doorzichtig kunststof. Deze ‘gewone’ lenzen beïnvloeden het licht doordat het licht gebroken wordt (en dus afbuigt) als het op het glas valt. Dat gebeurt nogmaals als het licht de lens aan de andere kant weer verlaat.

De nieuwe lens werkt op een andere manier en ziet er dan ook heel anders uit. De ultradunne lens bestaat uit een laagje van het materiaal wolfraamdisulfide. Deze laag, van slechts drie atomen dik, plaatsen de onderzoekers op een doorzichtige ondergrond. Vervolgens graveerden ze concentrische ringen in het materiaal. Dit leverde de dunste lens ter wereld op, van een halve millimeter breed en slechts 0,0000006 millimeter dik.

De wolfraamdisulfide-ringen verstrooien het inkomende licht in alle richtingen, zegt Van de Groep. ‘Door de ringen op de juiste afstand van elkaar te leggen, kunnen ze samenwerken om niet alle richtingen op te stralen, maar gezamenlijk naar het brandpunt.’

Doordat de wolfraamdisulfide-laag extreem dun is, wordt slechts een klein deel van het licht verstrooid. In het gepubliceerde ontwerp is dat vooral rood licht, dat gefocust wordt op een afstand van een millimeter van de lens.

Quantumeffect

Deze ultradunne lens werkt dankzij quantumeffecten die optreden als licht op het materiaal valt. De wolfraamdisulfide-laag absorbeert namelijk het licht, waarbij elektronen in het materiaal naar een hoger energieniveau springen. Hierbij laten ze een ‘gat’ achter in de atoomstructuur van het materiaal. Doordat het materiaal extreem dun is, blijven het elektron en het gat bij elkaar in de buurt. Ze voelen daardoor elkaars elektromagnetische aantrekkingskracht. Daardoor zal het elektron al snel terugvallen naar zijn oude energieniveau en het gat opvullen. De extra energie die het elektron weer kwijtraakt, wordt uitgezonden in de vorm van licht, wat de lensefficiëntie opkrikt.

Schematische weergave van de ultradunne lens met de wolfraamdisulfide-ringen in geel. In de uitsnede is een elektron (blauw) en het verbonden ‘gat’ (rood) te zien. Beeld: Ludovica Guarneri en Thomas Bauer.

In het huidige ontwerp werkt dit quantumzetje voor de efficiëntie en het focusseren alleen voor rood licht. Maar het lijkt mogelijk om lagen van verschillende materialen te combineren om ook andere kleuren licht te controleren.

Een extra bijzondere eigenschap van dit materiaal is dat de manier waarop het licht afgebogen wordt afhankelijk is van de hoeveelheid elektronen in het materiaal. Door een elektrische spanning aan te brengen, kun je dus sturen hoe en waar het licht terechtkomt.

Het doel van dit onderzoek is niet dat we straks allemaal rondlopen met deze ultradunne quantumlenzen in onze gewone brillen. ‘Omdat het grootste deel van het licht ongestoord rechtdoor door deze lenzen gaat, zullen ze conventionele lenzen niet vervangen’, zegt Van de Groep. Augmented reality-brillen behoren wel tot de mogelijkheden.