Исследователи открывают новый способ управления инфракрасным светом

В 1950-х годах область электроники начала меняться, когда транзистор заменил вакуумные трубки в компьютерах. Это изменение, которое повлекло за собой замену больших и медленных компонентов на маленькие и быстрые, стало катализатором устойчивой тенденции миниатюризации в компьютерном дизайне.

Но такая революция еще не коснулась области инфракрасной оптики, которая по-прежнему зависит от громоздких движущихся деталей, которые препятствуют созданию небольших систем.

Революция в инфракрасной оптике

Тем не менее, команда исследователей из лаборатории MIT Lincoln Laboratory вместе с профессором Цзючжун Ху и аспирантами факультета материаловедения и инженерии MIT разрабатывает способ управления инфракрасным светом с использованием материалов с фазовым переходом вместо движущихся частей. Эти материалы обладают способностью изменять свои оптические свойства при применении к ним энергии.

«Существует несколько возможных способов использования этого материала для создания новых фотонных устройств, которые влияют на жизнь людей», - говорит Ху. «Например, это может быть полезно для энергоэффективных оптических переключателей, которые могут повысить скорость сети и снизить энергопотребление центров обработки данных. Это может обеспечить возможность реконфигурируемых мета-оптических устройств, таких как компактные плоские инфракрасные объективы без механических движущихся частей. Это также может привести к появлению новых вычислительных систем, которые могут сделать машинное обучение более быстрым и энергоэффективным по сравнению с существующими решениями».

Основное свойство материалов с фазовым переходом состоит в том, что они могут изменять скорость прохождения света через себя (показатель преломления). «Уже есть способы модулировать свет с помощью изменения показателя преломления, но материалы с фазовым переходом могут изменяться почти в 1000 раз лучше», - говорит Джеффри Чоу, член команды, ранее входившей в состав лаборатории Advanced Materials and Microsystems Group.

Команда успешно контролировала инфракрасное излучение в нескольких системах, используя новый класс материалов с фазовым переходом, содержащих элементы германий, сурьму, селен и теллур, известные под общим названием GSST. Эта работа обсуждается в статье, опубликованной в Nature Communications.

Секрет материала с фазовым переходом находится в химических связях, которые связывают его атомы. В однофазном состоянии материал является кристаллическим, а его атомы расположены в организованном порядке. Это состояние можно изменить, применив к материалу короткий, высокотемпературный всплеск тепловой энергии, в результате чего связи в кристалле разрушатся, а затем преобразуются в более случайный или аморфный вид. Чтобы вернуть материал обратно в кристаллическое состояние, применяется длительный и среднетемпературный импульс тепловой энергии.

«Это изменение химических связей позволяет создавать различные оптические свойства, подобные различиям между углем (аморфным) и алмазом (кристаллическим)», - говорит Кристофер Робертс, еще один член исследовательской группы лаборатории Lincoln. «Хотя оба материала в основном углеродные, они имеют совершенно разные оптические свойства».

В настоящее время материалы с фазовым переходом используются в промышленности, например в технологии Blu-ray и перезаписываемых DVD-дисках, поскольку их свойства полезны для хранения и удаления большого количества информации. Но до сих пор никто не использовал их в инфракрасной оптике, потому что они имеют тенденцию быть прозрачными в одном состоянии и непрозрачными в другом. (Подумайте о бриллианте, через который свет может проходить, и об угле, через который свет не может проникнуть). Если свет не может пройти через одно из состояний, тогда этот свет нельзя адекватно контролировать для ряда применений; вместо этого система могла бы работать только как выключатель, позволяя свету проходить через материал или не проходить вообще.

Однако исследовательская группа обнаружила, что при добавлении элемента селена к исходному материалу (называемому GST) поглощение материала инфракрасным светом в кристаллической фазе резко уменьшилось - по сути, изменив его с непрозрачного материала, подобного углю, на более прозрачный алмазоподобный. Более того, большая разница в показателе преломления двух состояний влияет на распространение света через них.

«Это изменение показателя преломления без оптических потерь позволяет создавать устройства, контролирующие инфракрасное излучение без механических деталей», - говорит Робертс.

В качестве примера представьте лазерный луч, который указывает в одном направлении и его необходимо заменить в другом. В современных системах большой механический карданный подвес физически перемещает линзу, чтобы направить луч в другое положение. Тонкопленочная линза, изготовленная из GSST, смогла бы изменить положение путем электрического перепрограммирования материалов с фазовым переходом, что позволило бы управлять лучом без движущихся частей.

Команда уже успешно проверила материал в движущейся линзе. Они также продемонстрировали его использование в инфракрасной гиперспектральной визуализации, которая используется для анализа изображений на наличие скрытых объектов или информации, и в быстром оптическом затворе, который смог закрыться за наносекунды.

Потенциальные возможности использования GSST огромны, и конечной целью команды является разработка реконфигурируемых оптических чипов, линз и фильтров, которые в настоящее время необходимо восстанавливать с нуля каждый раз, когда требуется изменение. Когда команда будет готова вывести материал за пределы фазы исследования, его будет довольно легко перевести в коммерческое пространство. Поскольку компоненты GSST уже совместимы со стандартными процессами изготовления микроэлектроники, их можно изготавливать по низкой цене и в больших количествах.

Недавно лаборатория получила комбинаторную камеру распыления - современную машину, которая позволяет исследователям создавать нестандартные материалы из отдельных элементов. Команда будет использовать эту камеру для дальнейшей оптимизации материалов для повышения надежности и скорости переключения, а также для приложений с низким энергопотреблением. Они также планируют экспериментировать с другими материалами, которые могут оказаться полезными в управлении видимым светом.

Следующие шаги для команды - внимательно изучить реальные приложения GSST и понять, что нужно этим системам с точки зрения мощности, размера, скорости переключения и оптической контрастности.

«Воздействие [этого исследования] является двойным, - говорит Ху. «Материалы с фазовым переходом предлагают значительно улучшенное изменение показателя преломления по сравнению с другими физическими эффектами, например, вызванными электрическим полем или изменением температуры, что позволяет создавать чрезвычайно компактные перепрограммируемые оптические устройства и схемы. Также важно то, что теперь мы можем создавать высокопроизводительные инфракрасные компоненты с минимальными оптическими потерями». Ожидается, что новый материал, по словам Ху, откроет совершенно новое пространство для дизайна в области инфракрасной оптики. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet