Forskere opdager en ny måde at kontrollere infrarødt lys på

I 1950'erne, elektronikområdet begyndte at ændre sig, da transistoren erstattede vakuumrør i computere. Forandringen, hvilket indebar udskiftning af store og langsomme komponenter med små og hurtige, var en katalysator for den vedvarende tendens til miniaturisering i computerdesign. Ingen sådan revolution har endnu ramt området for infrarød optik, som forbliver afhængig af omfangsrige bevægelige dele, der udelukker bygning af små systemer.

Imidlertid, et team af forskere ved MIT Lincoln Laboratory, sammen med professor Juejun Hu og kandidatstuderende fra MIT's afdeling for materialevidenskab og teknik, udtænker en måde at kontrollere infrarødt lys ved at bruge faseskiftende materialer i stedet for bevægelige dele. Disse materialer har evnen til at ændre deres optiske egenskaber, når der tilføres energi til dem.

"Der er flere mulige måder, hvorpå dette materiale kan muliggøre nye fotoniske enheder, der påvirker folks liv, " siger Hu. "F.eks. det kan være nyttigt til energieffektive optiske kontakter, som kan forbedre netværkshastigheden og reducere strømforbruget i internetdatacentre. Det kan aktivere rekonfigurerbare meta-optiske enheder, såsom kompakt, flade infrarøde zoomobjektiver uden mekaniske bevægelige dele. Det kan også føre til nye computersystemer, som kan gøre maskinlæring hurtigere og mere strømeffektiv sammenlignet med nuværende løsninger."

En grundlæggende egenskab ved faseændringsmaterialer er, at de kan ændre, hvor hurtigt lyset bevæger sig igennem dem (brydningsindekset). "Der er allerede måder at modulere lys ved hjælp af en brydningsindeksændring, men faseændringsmaterialer kan ændre sig næsten 1, 000 gange bedre, " siger Jeffrey Chou, et teammedlem tidligere i laboratoriets Advanced Materials and Microsystems Group.

Holdet kontrollerede med succes infrarødt lys i flere systemer ved at bruge en ny klasse af faseændringsmateriale indeholdende grundstofferne germanium, antimon, selen, og tellur, samlet kendt som GSST. Dette arbejde er diskuteret i et papir udgivet i Naturkommunikation .

Et faseskiftemateriales magi opstår i de kemiske bindinger, der binder dets atomer sammen. I en fase tilstand, materialet er krystallinsk, med sine atomer arrangeret i et organiseret mønster. Denne tilstand kan ændres ved at anvende en kort, høj temperatur stigning af termisk energi til materialet, hvilket får bindingerne i krystallen til at bryde ned og derefter omdannes i en mere tilfældig, eller amorf, mønster. For at ændre materialet tilbage til den krystallinske tilstand, en lang- og mellemtemperaturimpuls af termisk energi påføres.

"Denne ændring af de kemiske bindinger gør det muligt for forskellige optiske egenskaber at fremkomme, ligner forskellene mellem kul (amorf) og diamant (krystallinsk), " siger Christopher Roberts, et andet Lincoln Laboratory-medlem af forskerholdet. "Mens begge materialer for det meste er kulstof, de har vidt forskellige optiske egenskaber."

I øjeblikket, faseændringsmaterialer bruges til industriapplikationer, såsom Blu-ray-teknologi og genskrivbare dvd'er, fordi deres egenskaber er nyttige til at gemme og slette en stor mængde information. Men indtil videre, ingen har brugt dem i infrarød optik, fordi de har tendens til at være gennemsigtige i den ene tilstand og uigennemsigtige i den anden. (Tænk på diamanten, som lys kan passere igennem, og kul, som lys ikke kan trænge ind.) Hvis lys ikke kan passere gennem en af ​​tilstandene, så kan dette lys ikke kontrolleres tilstrækkeligt til en række anvendelser; i stedet, et system ville kun kunne fungere som en tænd/sluk-knap, lader lys enten passere gennem materialet eller slet ikke passere igennem.

Imidlertid, forskerholdet fandt ud af, at ved at tilføje grundstoffet selen til det originale materiale (kaldet GST), materialets absorption af infrarødt lys i den krystallinske fase faldt dramatisk - i det væsentlige, ændre det fra et uigennemsigtigt kul-lignende materiale til et mere gennemsigtigt diamant-lignende. Hvad mere er, den store forskel i brydningsindekset for de to tilstande påvirker lysets udbredelse gennem dem.

"Denne ændring i brydningsindeks, uden at indføre optisk tab, giver mulighed for design af enheder, der styrer infrarødt lys uden behov for mekaniske dele, " siger Roberts.

Som et eksempel, forestil dig en laserstråle, der peger i én retning og skal ændres til en anden. I de nuværende systemer, en stor mekanisk kardan ville fysisk flytte en linse for at styre strålen til en anden position. En tyndfilmslinse lavet af GSST ville være i stand til at ændre positioner ved elektrisk omprogrammering af faseændringsmaterialerne, muliggør strålestyring uden bevægelige dele.

Holdet har allerede testet materialet med succes i en bevægelig linse. De har også demonstreret dets anvendelse i infrarød hyperspektral billeddannelse, som bruges til at analysere billeder for skjulte objekter eller information, og i en hurtig optisk lukker, der var i stand til at lukke på nanosekunder.

De potentielle anvendelser for GSST er enorme, og et ultimativt mål for holdet er at designe rekonfigurerbare optiske chips, linser, og filtre, som i øjeblikket skal genopbygges fra bunden, hver gang en ændring er påkrævet. Når holdet er klar til at flytte materialet ud over forskningsfasen, det burde være ret nemt at omdanne det til det kommercielle rum. Fordi det allerede er kompatibelt med standard mikroelektroniske fremstillingsprocesser, GSST-komponenter kunne fremstilles til lave omkostninger og i stort antal.

For nylig, laboratoriet opnåede et kombinatorisk forstøvningskammer - en state-of-the-art maskine, der gør det muligt for forskere at skabe brugerdefinerede materialer ud af individuelle elementer. Holdet vil bruge dette kammer til yderligere at optimere materialerne for forbedret pålidelighed og skiftehastigheder, samt til applikationer med lav effekt. De planlægger også at eksperimentere med andre materialer, der kan vise sig nyttige til at kontrollere synligt lys.

De næste trin for teamet er at se nærmere på GSST-applikationer i den virkelige verden og forstå, hvad disse systemer har brug for i form af strøm, størrelse, skifte hastighed, og optisk kontrast.

"Konsekvensen [af denne forskning] er todelt, "Hu siger. "Faseændringsmaterialer tilbyder en dramatisk forbedret brydningsindeksændring sammenlignet med andre fysiske effekter - induceret af elektrisk felt eller temperaturændring, for eksempel - hvilket muliggør ekstremt kompakte omprogrammerbare optiske enheder og kredsløb. Vores demonstration af bistat optisk gennemsigtighed i disse materialer er også væsentlig, fordi vi nu kan skabe højtydende infrarøde komponenter med minimalt optisk tab." Det nye materiale, Hu fortsætter, forventes at åbne op for et helt nyt designrum inden for infrarød optik.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.