Lentes planas atómicamente delgadas y sintonizables. a, Esquema de la lente de placa de zona WS2 propuesta en una celda electroquímica. Los voltajes de puerta iónico-líquido que varían en el tiempo dan como resultado una modulación de la eficiencia de enfoque al apagar las resonancias de excitones. B, Esquema del principio de funcionamiento de la puerta de líquido iónico dentro de una celda electroquímica. Las moléculas cargadas seleccionan el potencial Coulombic de la heteroestructura dopada de WS2 / grafeno y la almohadilla de referencia de Au. C, Imagen de microscopio óptico del centro de una lente fabricada (derecha) y el patrón WS2 diseñado superpuesto (izquierda, regiones sombreadas claras). Recuadro:exploración x – y del foco formado aproximadamente 2 mm por encima de la superficie del patrón (λ =620 nm). D, Exploración x – z del haz enfocado (λ =620 nm). Cortes transversales de la intensidad normalizada a lo largo del eje z del haz enfocado y el eje x (para z =1, 993 µm) también se muestran en unidades arbitrarias (a.u.). mi, Intensidad de campo disperso (λ =620 nm) detrás de una lente de placa de zona de 20 µm de diámetro con una distancia focal f =10 µm en zafiro (escala de color log10). Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
Desde el desarrollo de elementos ópticos difractivos en la década de 1970, Los investigadores han descubierto cada vez más sofisticados principios fundamentales de la óptica para reemplazar los voluminosos elementos ópticos existentes con contrapartes delgadas y livianas. Los intentos han dado como resultado recientemente metasuperficies nanofotónicas que contienen ópticas planas hechas de densas matrices de nanoestructuras metálicas o semiconductoras. Dichas estructuras pueden controlar eficazmente la fase y amplitud de dispersión de luz local basándose en resonancias plasmónicas o Mie. Los científicos han estudiado los dos tipos de resonancias para realizar ópticas de factor de forma pequeño que brindan multifuncionalidad y control en todo el campo de luz. Si bien tales funciones de metasuperficie se han mantenido estáticas, Es muy deseable lograr un control dinámico para las aplicaciones fotónicas emergentes, como la dirección y el alcance de la luz (LIDAR) para el mapeo tridimensional (3-D). Las resonancias plasmónicas y Mie solo ofrecen una débil sintonización eléctrica, pero décadas de investigación sobre modulación óptica describen que la manipulación de excitones es más fuerte para controlar las propiedades ópticas de un material.
El papel fundamental que pueden desempeñar los excitones durante la manipulación del frente de onda óptico queda por comprender y demostrar con elementos ópticos atómicamente delgados. En un nuevo estudio ahora publicado en Fotónica de la naturaleza , Jorik van de Groep y un equipo de investigadores en Materiales Avanzados de la Universidad de Stanford y la Facultad de Óptica y Fotónica de la Universidad de Florida Central, Estados Unidos diseñó un elemento óptico atómicamente delgado que se puede controlar activamente. Tallaron el sustrato directamente de una monocapa de disulfuro de tungsteno (WS 2 ). El material mostró una fuerte resonancia excitónica en el rango espectral visible. En lugar del enfoque típico para diseñar el tamaño y la forma de las antenas resonantes geométricamente, el equipo diseñó las metasuperficies hechas de materiales excitónicos bidimensionales (2-D) modificando la resonancia del material. Optimizando la disposición de materiales 2-D, lograron funciones ópticas específicas:realizar interacciones resonantes y sintonizables entre luz y materia.
Disposición de la celda electroquímica. (a), Sección transversal esquemática de la celda electroquímica fabricada en la parte superior de la muestra, sellando el líquido iónico (DEME-TFSI) en el interior. (B), Fotografía del sustrato de zafiro de 1 × 1 cm2 con 12 lentes de placa de zona en contacto y celda electroquímica completa. La muestra se monta en una placa de circuito impreso hecha a medida a la que se unen con alambre las almohadillas de contacto de Au. (C), Imagen ampliada del principio de funcionamiento de la compuerta ion-líquido. Las moléculas cargadas criban el potencial Coulombic de la heteroestructura dopada WS2 / Gr y la almohadilla de referencia de Au. Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
Lente de placa de zona atómicamente delgada sintonizable
Para resaltar la importancia de las resonancias de excitones en el funcionamiento de la lente plana, el equipo vio los anillos de WS 2 como fuentes de campos dispersos, impulsado por una onda plana incidente. Los campos dispersos generados localmente fueron proporcionales a la polarización del WS 2 material, los científicos esperaban la dispersión más fuerte cerca de la resonancia del excitón, donde la magnitud de la susceptibilidad eléctrica compleja (denotada x) fue mayor. La configuración experimental logró eficiencias de enfoque sustancialmente más altas con materiales exfoliados de mayor calidad en los que el ancho de línea del excitón se redujo notablemente.
Si bien esta lente era prácticamente invisible para el ojo humano para longitudes de onda no resonantes, podría capturar información importante de su entorno para que la intensidad en el foco supere con creces la intensidad de la onda plana incidente. La dependencia espectral de la eficiencia de enfoque dependía de la compleja susceptibilidad del material del WS 2 monocapa. Los científicos no pudieron aislar experimentalmente el campo disperso, pero recolectaron la luz débilmente dispersa de un área grande para determinar que la intensidad focal de las placas de la zona experimental era alta y se basaba en gran medida en el WS 2 material.
Susceptibilidad material y eficiencia de enfoque. (a), Gráfico fasorial de la susceptibilidad compleja de WS2. Los puntos y números blancos indican las longitudes de onda correspondientes. A y B se refieren a las resonancias de excitones. (B), Valor absoluto (arriba) y ángulo de fase (abajo) de la susceptibilidad del material. (C), Espectro de eficiencia de enfoque simulado de la luz dispersa para la lente de placa de zona de 20 µm de diámetro. Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y 
El equipo controló la eficiencia de enfoque de la lente alterando la resonancia del excitón del WS 2 material mediante compuerta eléctrica. Para esto, analizaron los cambios de reflectividad inducidos a partir de un simple 20 x 20 µm 2 parche cuadrado aislado de monocapa WS 2, en función de la tensión de puerta aplicada. Observaron una eliminación completa de las resonancias excitónicas para producir uno de los mayores cambios posibles en la susceptibilidad. Esta supresión de excitones también fue completamente reversible y altamente reproducible. Las observaciones destacaron los beneficios de las resonancias excitónicas en comparación con las resonancias plasmónicas y de tipo Mie que son más difíciles de sintonizar y suprimir.
Luego, los investigadores capitalizaron la gran capacidad de sintonización de las resonancias de excitones para controlar la intensidad en el punto focal de una lente. Midieron experimentalmente la potencia en el foco como una función de la longitud de onda normalizada a la potencia incidente en la lente de la placa de zona para comprender el espectro de eficiencia de enfoque. Los resultados indicaron que la dispersión de luz excitónica enfocada dominaba la transmisión directa del sustrato. Cuando el equipo aplicó una polarización de puerta de 3 voltios al WS 2 / heteroestructura de grafeno para suprimir la resonancia del excitón, observaron una supresión completa de la línea excitónica asimétrica. Luego, usando la conmutación reversible de la resonancia del excitón, restauraron el estado resonante neutral.
Manipulación de excitones mediante compuerta iónico-líquido. (a), Espectros de reflectividad de un parche aislado de 20 × 20 µm2 de WS2 para Vg =0 V (azul) y cerrado a Vg =3 V (n-dopaje, rojo). Recuadro:imagen de microscopio óptico del dispositivo de parche. El WS2 entre las líneas punteadas se elimina, aislar el área interior WS2. Barra de escala, 20 µm. (B), Los espectros de reflectividad durante el ciclo entre el estado neutro (azul) y dopado (rojo) muestran una alta reproducibilidad. Los espectros obtenidos secuencialmente se compensan para mayor claridad, como lo indica la flecha gris. Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
Los resultados fueron consistentes con la observación del estrechamiento del ancho de línea en las mediciones de reflexión en los dispositivos de parche. La eficiencia de enfoque medida fue relativamente baja y limitada debido a la calidad del material relativamente baja del WS comercial 2 . Por ejemplo, monocapas encapsuladas de alta calidad de diselenuro de molibdeno en escamas pequeñas (MOSe 2 ) puede alcanzar una reflectancia óptica de hasta el 80 por ciento. Por lo tanto, los científicos pueden mejorar el crecimiento de grandes áreas de dicalcogenuros de metales de transición monocapa de alta calidad (TMDC) como WS 2 para mejorar fuertemente las eficiencias de enfoque.
El equipo de investigación realizó la temperatura ambiente, manipulación activa de gran área de la resonancia del excitón para demostrar el control dinámico de la intensidad de la luz en el foco de la lente de la placa de la zona del material 2-D. Cambiaron de forma reproducible entre los estados dominados por excitones y apagados por excitones para lograr un control activo sobre la amplitud de dispersión de la luz excitónica. El tiempo de respuesta y la asimetría en la configuración resultaron de la formación de complejos limitados por transporte de iones y debido al desmontaje de la doble capa eléctrica iónico-líquido. Como resultado, los científicos proponen implementar esquemas de compuerta de estado sólido en lugar de compuerta iónico-líquido para aumentar el tiempo de respuesta del dispositivo en órdenes de magnitud, que actualmente está limitado debido a los desafíos de fabricación.
Modulación de excitación de la intensidad en el foco. (a), Espectros de eficiencia de enfoque de la lente de la placa de zona en prístino (rojo, Vg =0 V), cerrado (azul, Vg =3 V) y estado restaurado (gris, Vg =0 V). El área sombreada indica la barra de error correspondiente a una desviación estándar. Los triángulos en el eje inferior y las líneas discontinuas indican las longitudes de onda utilizadas para b. (B), Intensidad en el foco en función del tiempo para λ =605 nm (azul, cima), para λ =615 nm (rojo, medio) y para λ =625 nm (gris, abajo) mientras que Vg se cicla entre 0 V (fondo blanco) y 3 V (fondo rojo). (C), Traza de tiempo de subida (izquierda) y caída (derecha) de la intensidad focal para λ =625 nm. También se muestran los tiempos de subida y bajada correspondientes obtenidos de un ajuste (rojo). Crédito:Nature Photonics, doi:10.1038 / s41566-020-0624-y
De este modo, Jorik van de Groep y sus colegas demostraron la importancia de las resonancias de material excitónico para operar lentes ópticas atómicamente delgadas. Ellos prevén que los esquemas de activación más avanzados con electrodos de activación locales e intercalados facilitarán los dispositivos ópticos excitónicos con funcionalidades más complejas, como longitudes focales sintonizables o dirección del haz. El trabajo abre un enfoque completamente nuevo para diseñar ópticas planas dinámicas y metasuperficies para aplicaciones en derivación de haces en espacio libre. manipulación de frente de onda y en realidad aumentada / virtual.
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