このレンズはわずか3原子の厚さで、量子灯台のように機能します

アムステルダム大学とスタンフォード大学の物理学者チームが協力し、灯台工学理論と静電的に結合した「励起子」を組み合わせて、世界最薄のレンズを製作した。厚さ0.6ナノメートル、幅0.5ミリメートルのこの設計では、二硫化タングステン（WS2）と呼ばれる特殊材料の原子3個のみを使用している。この材料の量子特性により、灯台のランプによく見られる平らな「フレネルレンズ」に似た原子格子構造を形成するのに特に適している。

何千年もの間、ほとんどのレンズは、通過する光を屈折させて物体を拡大するために、湾曲した形状に依存してきました。しかし、フレネル レンズはいかなる種類の曲率も必要とせず、代わりに同心の平らなリングを使用して光を回折します。リングのサイズと幅によって、レンズ全体の焦点距離が決まります。フレネル レンズは、長距離にわたって光を回折できるため、古典的な灯台のランプでよく使用されます。

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物理学者たちは、先月Nano Letters誌に発表した研究で、この新しい原子スケールのフレネルレンズの詳細を説明した。この設計では、集光力は、特定の波長にわたって光を吸収して再放射することを可能にする二硫化タングステンのユニークな量子効果から得られる。これを実現するために、WS2 は電子をより高いエネルギーレベルまで発射することにより光を吸収する。しかし、この材料は非常に小さいため、負に帯電した電子とそれが残す正に帯電した空間は、静電気引力によって原子格子に結合される。これらの構造は「励起子」として知られ、電子と正孔が再結合するまでの短い間だけ存在し、その過程で効率的に光を放射する。このプロセスは室温で機能するが、物理学者たちは、14ケルビン（または華氏 -434.47度）という極低温環境で特に効果的であることを発見した。

研究チームの実験では、研究者たちは原子レベルの薄さの 2D 材料を使用して、赤色光をレンズから 1 mm 離れたところに集光することに成功しました。人間のスケールでは比較的小さいですが、レンズの直径がわずか 0.0000006 mm であることを考えると、これは非常に印象的です。

しかし、この設計の最も有望な特徴の 1 つは、一見欠点のように思えるかもしれない点にあります。つまり、光のごく一部だけが点に集光され、大部分は影響を受けずにレンズを通過します。しかし、研究の共著者である Jorik van de Groep 氏の説明によると、これは実際には大きな利点になる可能性があるとのことです。

「このレンズは、レンズを通した視界を妨げず、光の一部を利用して情報を収集する用途に使用できる」と、同氏は付随する声明で述べた。「このため、拡張現実などのウェアラブルグラスに最適だ」

原子フレネルレンズが近い将来に Apple Vision Pro ヘッドセットに採用される可能性は低いが、研究者らは次に、電気的に調整できる、より複雑で多用途の光学設計を作成し、テストする予定だ。