Lenti piatte atomicamente sottili e regolabili. un, Schema della lente piastra zonale WS2 proposta in una cella elettrochimica. Le tensioni di gate ionico-liquido variabili nel tempo determinano una modulazione dell'efficienza di focalizzazione spegnendo le risonanze degli eccitoni. B, Schema del principio di funzionamento del gating ionico-liquido all'interno di una cella elettrochimica. Le molecole cariche schermano il potenziale coulombiano dell'eterostruttura drogata WS2/grafene e il pad di riferimento Au. C, Immagine al microscopio ottico del centro di una lente fabbricata (destra) e del modello WS2 progettato sovrapposto (sinistra, regioni in ombra chiara). Riquadro:scansione x–y del fuoco formato circa 2 mm sopra la superficie modellata (λ= 620 nm). D, Scansione x–z del raggio focalizzato (λ= 620 nm). Tagli trasversali dell'intensità normalizzata lungo l'asse z del raggio focalizzato e l'asse x (per z= 1, 993 µm) sono mostrati anche in unità arbitrarie (a.u.). e, Intensità di campo diffuso (λ= 620 nm) dietro una lente a piastra di zona del diametro di 20 µm con una lunghezza focale f= 10 µm su zaffiro (scala di colori log10). Credito:fotonica della natura, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
Dallo sviluppo degli elementi ottici diffrattivi negli anni '70, i ricercatori hanno scoperto sempre più sofisticati principi fondamentali dell'ottica per sostituire gli elementi ottici ingombranti esistenti con controparti sottili e leggere. I tentativi hanno recentemente portato a metasuperfici nanofotoniche che contengono ottiche piatte fatte di densi array di nanostrutture metalliche o semiconduttori. Tali strutture possono controllare efficacemente la fase di diffusione della luce locale e l'ampiezza in base alle risonanze plasmoniche o di Mie. Gli scienziati hanno studiato i due tipi di risonanze per realizzare ottiche a fattore di forma ridotto che offrono multifunzionalità e controllo in tutto il campo luminoso. Sebbene tali funzioni di metasuperficie siano rimaste statiche, è altamente desiderabile ottenere il controllo dinamico per le applicazioni fotoniche emergenti come la direzione e l'intervallo della luce (LIDAR) per la mappatura tridimensionale (3D). Le risonanze plasmoniche e di Mie offrono solo una debole accordabilità elettrica, ma decenni di ricerca sulla modulazione ottica descrivono la manipolazione degli eccitoni come più forte per controllare le proprietà ottiche di un materiale.
Il ruolo critico che gli eccitoni possono svolgere durante la manipolazione del fronte d'onda ottico resta da comprendere e dimostrare con elementi ottici atomicamente sottili. In un nuovo studio ora pubblicato su Fotonica della natura , Jorik van de Groep e un team di ricercatori in Advanced Materials presso la Stanford University e il College of Optics and Photonics presso la University of Central Florida, Gli Stati Uniti hanno progettato un elemento ottico atomicamente sottile che può essere controllato attivamente. Hanno intagliato il substrato direttamente da un monostrato di disolfuro di tungsteno (WS 2 ). Il materiale ha mostrato una forte risonanza eccitonica nell'intervallo spettrale visibile. Invece del tipico approccio per progettare le dimensioni e la forma delle antenne geometricamente risonanti, il team ha progettato le metasuperfici realizzate con materiali eccitonici bidimensionali (2-D) modificando la risonanza del materiale. Ottimizzando la disposizione dei materiali 2D, hanno raggiunto funzioni ottiche specifiche, per realizzare interazioni luce-materia risonanti e sintonizzabili.
Disposizione delle celle elettrochimiche. (un), Sezione trasversale schematica della cella elettrochimica fabbricata sopra il campione, sigillando il liquido ionico (DEME-TFSI) all'interno. (B), Fotografia del substrato in zaffiro 1×1 cm2 con lenti a piastra a 12 zone a contatto e cella elettrochimica completata. Il campione è montato su una scheda a circuito stampato su misura a cui le piazzole di contatto Au sono legate a filo. (C), Immagine ingrandita del principio di funzionamento del gating ione-liquido. Le molecole cariche schermano il potenziale coulombiano dell'eterostruttura drogata WS2/Gr e del pad di riferimento Au. Credito:fotonica della natura, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
Lente a piastra a zona atomicamente sottile sintonizzabile
Per evidenziare l'importanza delle risonanze eccitoniche nel funzionamento della lente piatta, la squadra ha visto gli anelli di WS 2 come sorgenti di campi sparsi, guidato da un'onda piana incidente. I campi sparsi generati localmente erano proporzionali alla polarizzazione del WS 2 Materiale, gli scienziati si aspettavano lo scattering più forte vicino alla risonanza degli eccitoni, dove l'entità della suscettibilità elettrica complessa (indicata con x) era maggiore. La configurazione sperimentale ha ottenuto efficienze di messa a fuoco sostanzialmente più elevate con materiali esfoliati di qualità superiore in cui la larghezza di riga degli eccitoni è stata notevolmente ridotta.
Mentre questa lente era praticamente invisibile all'occhio umano per lunghezze d'onda non risonanti, potrebbe acquisire informazioni importanti dall'ambiente circostante affinché l'intensità nel fuoco superi di gran lunga l'intensità dell'onda piana incidente. La dipendenza spettrale dell'efficienza di messa a fuoco dipendeva dalla complessa suscettibilità del materiale del WS 2 monostrato. Gli scienziati non hanno potuto isolare sperimentalmente il campo sparso, ma hanno raccolto la luce debolmente diffusa da una vasta area per determinare che l'intensità focale delle piastre della zona sperimentale fosse elevata e in gran parte basata sul WS 2 Materiale.
Suscettibilità ai materiali ed efficienza di messa a fuoco. (un), Grafico dei fasori della suscettibilità complessa di WS2. I punti e i numeri bianchi indicano le lunghezze d'onda corrispondenti. A e B si riferiscono alle risonanze degli eccitoni. (B), Valore assoluto (in alto) e angolo di fase (in basso) della suscettibilità del materiale. (C), Spettro di efficienza di messa a fuoco simulato della luce diffusa per la lente a piastra di zona da 20 µm di diametro. Credito:fotonica della natura, doi:10.1038/s41566-020-0624-y 
Il team ha controllato l'efficienza della messa a fuoco dell'obiettivo alterando la risonanza degli eccitoni del WS 2 materiale mediante cancello elettrico. Per questo, hanno analizzato le variazioni di riflettività indotte da un semplice 20 x 20 µm 2 toppa quadrata isolata dal monostrato WS 2, in funzione della tensione di gate applicata. Hanno osservato una completa rimozione delle risonanze eccitoniche per produrre uno dei più grandi cambiamenti possibili nella suscettibilità. Questa soppressione degli eccitoni era anche completamente reversibile e altamente riproducibile. Le osservazioni hanno evidenziato i vantaggi delle risonanze eccitoniche rispetto alle risonanze plasmoniche e di tipo Mie che sono entrambe più difficili da sintonizzare e sopprimere.
I ricercatori hanno quindi sfruttato la grande sintonizzabilità delle risonanze degli eccitoni per controllare l'intensità nel punto focale di una lente. Hanno misurato sperimentalmente la potenza nella messa a fuoco in funzione della lunghezza d'onda normalizzata alla potenza incidente sulla lente della piastra di zona per comprendere lo spettro di efficienza della messa a fuoco. I risultati hanno indicato che la diffusione della luce eccitonica focalizzata dominava la trasmissione diretta del substrato. Quando il team ha applicato una polarizzazione del gate di 3 volt al WS 2 eterostruttura /grafene per sopprimere la risonanza eccitonica, hanno osservato la completa soppressione della linea eccitonica asimmetrica. Quindi usando la commutazione reversibile della risonanza eccitonica, ripristinarono lo stato di risonanza neutro.
Manipolazione degli eccitoni tramite gating ionico-liquido. (un), Spettri di riflettività di un cerotto isolato 20 × 20 µm2 di WS2 per Vg= 0 V (blu) e con gate a Vg= 3 V (n-doping, rosso). Riquadro:immagine al microscopio ottico del dispositivo patch. Il WS2 tra le linee tratteggiate viene rimosso, isolando l'area interna di WS2. Barra della scala, 20µm. (B), Spettri di riflettività durante il ciclo tra lo stato neutro (blu) e drogato (rosso) che mostrano un'elevata riproducibilità. Gli spettri ottenuti in sequenza sono sfalsati per chiarezza, come indicato dalla freccia grigia. Credito:fotonica della natura, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
I risultati erano coerenti con l'osservazione del restringimento della larghezza di linea nelle misurazioni di riflessione sui dispositivi patch. L'efficienza di messa a fuoco misurata era relativamente bassa e limitata a causa della qualità del materiale relativamente bassa del WS commerciale 2 . Ad esempio, monostrati incapsulati di alta qualità di diseleniuro di molibdeno a scaglie piccole (MOSe 2 ) può raggiungere una riflettanza ottica fino all'80%. Gli scienziati possono quindi migliorare la crescita su un'ampia area di dicalcogenuri di metalli di transizione monostrato di alta qualità (TMDC) come WS 2 per migliorare fortemente le efficienze di messa a fuoco.
Il team di ricerca ha condotto la temperatura ambiente, manipolazione attiva su vasta area della risonanza degli eccitoni per dimostrare il controllo dinamico dell'intensità della luce nel fuoco della lente della piastra della zona del materiale 2-D. Hanno commutato in modo riproducibile tra gli stati dominati dagli eccitoni e quelli spenti dagli eccitoni per ottenere un controllo attivo sull'ampiezza di diffusione della luce eccitonica. Il tempo di risposta e l'asimmetria nella configurazione sono il risultato della formazione di complessi limitati al trasporto ionico e dello smontaggio del doppio strato elettrico ionico-liquido. Di conseguenza, gli scienziati propongono di implementare schemi di gating a stato solido invece di gating ionico-liquido per aumentare il tempo di risposta del dispositivo di ordini di grandezza, che è attualmente limitato a causa di problemi di fabbricazione.
Eccitone modulazione dell'intensità nel fuoco. (un), Spettri di efficienza di messa a fuoco della lente della piastra di zona incontaminate (rosso, Vg= 0 V), recintato (blu, Vg= 3 V) e stato ripristinato (grigio, Vg= 0 V). L'area ombreggiata indica la barra di errore corrispondente a una deviazione standard. I triangoli sull'asse inferiore e le linee tratteggiate indicano le lunghezze d'onda utilizzate per b. (B), Intensità nel fuoco in funzione del tempo per = 605 nm (blu, superiore), per = 615 nm (rosso, centrale) e per = 625 nm (grigio, in basso) mentre Vg viene ciclato tra 0 V (sfondo bianco) e 3 V (sfondo rosso). (C), Traccia temporale di salita (sinistra) e caduta (destra) dell'intensità focale per = 625 nm. Sono mostrati anche i corrispondenti tempi di salita e discesa ottenuti da un fit (rosso). Credito:fotonica della natura, doi:10.1038/s41566-020-0624-y
In questo modo, Jorik van de Groep e colleghi hanno dimostrato l'importanza delle risonanze del materiale eccitonico per far funzionare lenti ottiche atomicamente sottili. Prevedono che schemi di gating più avanzati con elettrodi di gating locali e interlacciati faciliteranno dispositivi ottici eccitonici con funzionalità più complesse come lunghezze focali sintonizzabili o orientamento del raggio. Il lavoro apre un approccio completamente nuovo alla progettazione di ottiche piatte dinamiche e metasuperfici per applicazioni di intercettazione del fascio nello spazio libero, manipolazione del fronte d'onda e nella realtà aumentata/virtuale.
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