Ein internationales Forschungsteam hat laut einem Titelartikel die Schaffung eines neuen Metamaterials mit einstellbaren optischen Eigenschaften vorgeschlagen, ohne dass mechanische oder manuelle Eingaben erforderlich sind. Dies kann die Zuverlässigkeit optischer Geräte verbessern und gleichzeitig die Herstellungskosten senken. veröffentlicht im Tagebuch Optica .
VERBINDUNG: UNSICHTBARKEITSUHREN WERDEN ERWARTET, UM MEHR ALS NUR FILMPROPS ZU SEIN
'Unsichtbares' Metamaterial am Horizont
Die beschleunigte Entwicklung in Physik und Materialwissenschaften in den letzten Jahrzehnten hat der Gesellschaft ein breites Spektrum verfügbarer Materialien gebracht. Jetzt sind diejenigen, die komplexe Geräte entwerfen, weniger an die Grenzen traditioneller Materialien wie Metalle, Glas, Holz oder Mineralien gebundenwo Metamaterialien - studiert an der ITMO-Universität und anderswo - neue Möglichkeiten für neue Anwendungen eröffnen.
Metamaterialien bestehen aus komplexen periodischen Strukturen und sind relativ unabhängig von den Eigenschaften ihrer konstitutiven Komponenten. Sie können volumetrische oder flache Strukturen aufweisen. Letztere werden als Metaoberflächen bezeichnet.
"Mit Meta-Oberflächen können wir viele interessante Effekte bei der Manipulation von Licht erzielen", sagte Ivan Sinev, Senior Researcher am Institut für Physik und Ingenieurwesen der ITMO-Universität. Optik . "Diese Metaoberflächen haben jedoch ein Problem: Wie sie mit Licht interagieren, wird genau in dem Moment entschieden, in dem wir ihre Struktur entwerfen. Bei der Erstellung von Geräten für den praktischen Gebrauch möchten wir diese Eigenschaften nicht nur zu Beginn steuern können, aber auch während des Gebrauchs. "
Neue 'Metaoberflächen' schmieden
Auf der Suche nach Materialien, die für adaptive optische Geräte geeignet sind, nutzen Forscher der ITMO-Universität ihre langjährige Erfahrung in der Arbeit mit Silizium-Metaoberflächen, um sich mit ihren Kollegen an der Universität von Exeter in Großbritannien zusammenzutun, die auch über große Erfahrung im Umgang mit Phasenwechselmaterialien verfügenEin solches Material ist die in DVDs enthaltene Germanium-Antimon-Tellurid GeSbTe -Verbindung.
"Wir haben Berechnungen durchgeführt, um zu sehen, wie dieses neue Verbundmaterial aussehen würde", sagte Pavel Trofimov, Doktorand in den Abteilungen Physik und Ingenieurwesen. Optica . "Wir haben GeSbTe als Dingschicht zwischen zwei Siliziumschichten eingebettet. Es ist eine Art Sandwich: Zuerst beschichten wir ein leeres Substrat mit Silizium, dann legen wir eine Schicht aus Phasenwechselmaterial auf und dann einigemehr Silizium. "
Nachdem diese Wissenschaftler eine Methode der Elektronenstrahllithographie verwendet haben, um die neu geschichtete Struktur in eine Metaoberfläche umzuwandeln. Schließlich wurde sie zu einer Reihe mikroskopischer Scheiben, die im Labor getestet werden mussten - um zu sehen, wie gut sie das Licht manipuliert.
Phasenwechsel: unsichtbare Ordnung, chaotische Reflexion
Wie von den Forschern erwartet, hat die Kombination zweier Materialien zu einer komplexen periodischen Struktur eine wichtige Funktion geschaffen: Das Transparenzniveau der neu gestalteten Oberfläche kann während des gesamten Experiments geändert werden. Dies liegt an einer Siliziumscheibe im nahen Infrarotbereichmit zwei optischen Resonanzen - wodurch es stark auf seine Oberfläche gerichtete Infrarotstrahlen reflektieren kann. Die Schicht aus GeSbTe gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, eine der beiden Resonanzen "auszuschalten", wodurch die Scheibe für Licht im nahen Infrarotbereich nahezu transparent wirddes Spektrums.
Materialien, die zur Phasenänderung fähig sind, haben zwei Zustände: Einer ist kristallin und beinhaltet Moleküle, die in einer geordneten Struktur angeordnet sind, während der andere ein amorpher Zustand ist. Wenn die GeSbTe-Schicht in der Mitte des Metamaterials in einem kristallinen Zustand angeordnet ist,Die zweite Resonanz verschwindet - wenn sie amorph ist, reflektiert die Scheibe IR-Strahlen.
"Um zwischen den beiden Metaoberflächenzuständen zu wechseln, haben wir einen ausreichend leistungsstarken Pulslaser verwendet", sagte Pavel Trofimov. Optik . "Durch Fokussieren des Lasers auf unsere Scheibe können wir den Wechsel relativ schnell durchführen. Ein kurzer Laserpuls erwärmt die GeSbTe-Schicht fast bis zum Schmelzpunkt, danach kühlt sie schnell ab und wird amorph. Wenn wirWenn es einer Reihe von kurzen Impulsen ausgesetzt wird, kühlt es langsamer ab und geht in einen kristallinen Zustand über. "
Die Eigenschaften der neuen Metaoberfläche öffnen die Tür für eine Vielzahl von Anwendungen. Am interessantesten ist die Erstellung von Lidars - Geräten, die einen Raum über das Aussenden von Infrarotimpulsen abtasten und dann reflektierte Strahlen empfangenHerstellung spezieller ultradünner fotografischer Objektive, wie wir sie alle in Smartphone-Kameras verwenden.
Während sich die Materialwissenschaften weiter häufen Durchbrüche die expandierende Welt der neuesten Elektronik - von Consumer-Grade Smartphones bis Fortgeschrittene militärische Hardware - macht möglicherweise die ersten Schritte in ein Hauptfach industrielle Revolution .