Afstembare materialer baner vejen for avanceret optik

Nu ser du det, nu gør du ikke. I bøger og film, troldmænd bruger magiske besværgelser til at gøre det synlige gennemsigtigt.

I virkeligheden, materialer med egenskaber kaldet faseovergange kan udføre et lignende trick, skiftende fra klart til overskyet afhængigt af temperaturen eller anvendelsen af ​​et elektrisk felt.

Et multi-institutionelt team af forskere har udviklet en måde til præcist at konstruere de temperaturer, ved hvilke vanadiumdioxid - et materiale, der bruges i højteknologiske applikationer lige fra hjem til satellitter - vil gennemgå faseovergang. Deres arbejde, offentliggjort i dag i tidsskriftet Nano bogstaver , kan føre til nye typer af afstembare materialer til optik, camouflage og termisk regulering.

"I bund og grund, enhver optisk komponent ville være bedre, hvis den kunne indstilles, " siger Mikhail Kats, seniorforfatter af undersøgelsen og professor ved University of Wisconsin-Madison i elektro- og computerteknik.

I stedet for at stole på mekaniske komponenter for at fokusere et kameralinse eller et teleskop okular, et afstembart materiale kan ændre dets medfødte optiske egenskaber efter behov.

Forskere har i mere end 50 år vidst, at stoffer som vanadiumdioxid kan skifte mellem uigennemsigtigt og gennemsigtigt. Imidlertid, disse materialer skifter typisk kun under ét bestemt sæt forhold, begrænser deres anvendelighed.

"I de fleste faseovergangsmaterialer, ændringen sker under forhold, der er langt fra stuetemperatur, og er derfor svære at integrere i nyttige enheder, " siger Kats.

Forskerne ændrede ikke kun vanadiumdioxids iboende skiftpunkt fra 155 grader Fahrenheit til under 70 grader, de afstemte med succes overgangen for dette materiale på tværs af en række specifikke temperaturer-lige fra typisk indendørs komfort til medium-sjælden hamburger.

"Denne opdagelse vil åbne op for nye grænser inden for fotoniske enheder, " siger samarbejdspartner Shriram Ramanathan, professor i materialeteknik ved Purdue University.

Derudover fordi optiske og fysiske egenskaber stammer fra de samme underliggende fysiske principper, vanadiumdioxids termiske og elektriske ledningsevner skifter også med overgangen. Disse typer materialer kan bruges, for eksempel, i boliger som "smarte" vægge eller vinduer, der reagerer på miljøet.

"Objekter designet til at udsende lys effektivt ved høje temperaturer, men ikke ved lave temperaturer, kunne bruges som rent passive temperaturregulatorer, der ikke kræver eksterne kredsløb eller strømkilder, «siger Kats.

Materialer med denne hidtil usete alsidighed kan også skabe nye typer termisk camouflage.

"Strukturer designet til at udsende den samme mængde termisk stråling uanset temperaturen kunne bruges til at skjule objekter fra infrarøde kameraer, " siger Kats.

Tidligere, forskere, der forsøgte at ændre overgangstemperaturerne for vanadiumdioxid, introducerede urenheder, mens de forsøgte at ensartet ændre hele materialets overflade.

I stedet, Kats og kolleger bombarderede specifikke områder af vanadiumdioxidet med energiske ioner. Ionbestråling skaber defekter i materialer, normalt en utilsigtet bivirkning. Imidlertid, samarbejdspartner Carsten Ronning, en professor i faststoffysik ved Friedrich Schiller Universitetet i Jena i Tyskland, siger, at forskernes fremskridt udnytter disse defekter.

"Det skønne i vores tilgang er, at vi drager fordel af de 'uønskede' defekter, " han siger.

At rette ionstrålen mod specifikke områder af en overflade gjorde det muligt for forskerne at foretage ændringer i materialet i nanoskala.

"Vi kan præcist kontrollere overgangstemperaturen overalt på prøven, med omtrent 20 nanometer præcision, " siger Kats. "Vi har været i stand til at bruge denne metode til at skabe effektive materialer, som har flere faseovergange på samme tid."

Denne teknik gjorde det muligt for dem at designe og skabe en ny optisk polarisator, der ændrer selektivitet baseret på temperaturen.