全球最薄镜头问世：科学家利用量子效应构建未来光学科技

阿姆斯特丹大学与斯坦福大学的物理学家合作开发出全球最薄镜头，仅为三个原子的厚度。这款新型镜头不仅颠覆传统曲面镜头的设计理念，还因量子效应实现高效聚焦，有望在增强现实（AR）技术等领域掀起革命性创新。

颠覆传统的平面镜头

传统镜头依靠弯曲的玻璃表面通过折射聚焦光线，而此次研究团队采用一种全新的方式。他们利用钨二硫化物（WS₂）材料构建一款平面镜头，这款镜头直径仅为0.5毫米，厚度仅为0.6纳米（0.0000006毫米），成为目前地球上最薄的镜头。

该镜头采用“菲涅尔透镜”或“分区板透镜”的设计，通过一圈圈同心环将光线通过衍射方式聚焦，而非传统的折射方式。这种设计可根据环的间距和尺寸调整焦距。在实验中，这款镜头成功将红光聚焦到距离镜头1毫米的位置。

量子效应助力高效聚焦

镜头的创新不仅在于其超薄结构，更在于它依赖于材料的量子特性提升聚焦效率。研究表明，WS₂材料能够在特定波长吸收光子，并通过量子效应重发光子，从而提高镜头在这些波长下的效率。

这一过程的核心是“激子”（exciton）的形成。当WS₂吸收光子后，其电子跃迁至更高能级，留下一个带正电的“空穴”。电子和空穴之间的静电吸引力使两者结合形成激子。随后，激子消散，释放出光子，这些光子对镜头的聚焦能力起到关键作用。

实验显示，在特定波长下，镜头的效率达到峰值。研究还发现，当镜头在低温环境下运行时，激子的表现更为理想，从而使镜头的效率进一步提升。

面向增强现实的革命性应用

除了高效聚焦，这款镜头的另一显著特性是：大部分光线能够直接穿过镜头而不受影响，仅有一部分光线被聚焦。这一特性使其在增强现实（AR）等领域具有巨大潜力。

研究团队成员 Jorik van de Groep 表示：“这款镜头非常适合应用在增强现实眼镜中，因为它可以在不影响正常视野的情况下截取一部分光线来收集信息。”这一特性或将改变未来可穿戴设备的设计方式，使其兼具隐蔽性和功能性。

未来展望：多功能光学材料

研究团队并未止步于此。他们计划设计更复杂、更多功能的光学涂层，通过电压调节材料的光学特性以实现动态控制。例如，激子的敏感特性可以通过改变材料内的电荷密度来调整材料的折射率，从而实现光学功能的电控化。

“激子的这些独特特性为我们未来的研究提供了丰富的可能性，” Van de Groep 表示，“我们希望探索更多复杂的光学设计，为未来的增强现实和其他科技领域开辟新路径。”

参考文献：

[1]Ludovica Guarneri, Qitong Li, Thomas Bauer, Jung-Hwan Song, Ashley P. Saunders, Fang Liu, Mark L. Brongersma and Jorik van de Groep, Temperature-Dependent Excitonic Light Manipulation with Atomically Thin Optical Elements. Nano Letters 24, 21, 6240-6246 (2024).

[2] Institute of Physics UvA. The thinnest lens on Earth, enabled by excitons[EB/OL](2024-05-29).https://iop.uva.nl/content/news/2024/05/the-thinnest-lens-on-earth.html?origin=hqZwIY6%2FTt2p%2FbYjLQhlIg&cb.