Kirigami-inspireret teknik manipulerer lys på nanoskala

Nanokirigami har taget fart som et forskningsfelt i de sidste par år; tilgangen er baseret på de ældgamle kunster origami (fremstilling af 3-D-former ved at folde papir) og kirigami (som tillader skæring såvel som foldning), men anvendt på flade materialer på nanoskala, målt i milliardtedele af en meter.

Nu, forskere ved MIT og i Kina har for første gang anvendt denne tilgang til oprettelse af nanodeapparater til at manipulere lys, potentielt åbne for nye muligheder for forskning og, ultimativt, oprettelse af ny lysbaseret kommunikation, opdagelse, eller computerudstyr.

Resultaterne er beskrevet i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , i et papir af MIT professor i maskinteknik Nicholas X Fang og fem andre. Ved at bruge metoder baseret på standard mikrochip-fremstillingsteknologi, Fang og hans team brugte en fokuseret ionstråle til at lave et præcist mønster af slidser i en metalfolie, der kun var nogle få titus nanometer tyk. Processen får folien til at bøje og vride sig selv til en kompleks tredimensionel form, der er i stand til selektivt at bortfiltrere lys med en bestemt polarisering.

Tidligere forsøg på at skabe funktionelle kirigami-enheder har brugt mere komplicerede fremstillingsmetoder, der kræver en række foldetrin og har primært været rettet mod mekaniske snarere end optiske funktioner, siger Fang. De nye nanoenheder, derimod kan dannes i et enkelt foldetrin og kan bruges til at udføre en række forskellige optiske funktioner.

For disse indledende proof-of-concept-enheder, holdet producerede en nanomekanisk ækvivalent af specialiserede dikroiske filtre, der kan filtrere cirkulært polariseret lys fra, der enten er "højrehåndet" eller "venstrehåndet". For at gøre det, de skabte et mønster blot et par hundrede nanometer på tværs i den tynde metalfolie; resultatet ligner pinwheel blade, med et twist i én retning, der vælger den tilsvarende lysdrejning.

Snoningen og bøjningen af ​​folien sker på grund af spændinger introduceret af den samme ionstråle, der skærer gennem metallet. Ved brug af ionstråler med lave doser, der oprettes mange ledige stillinger, og nogle af ionerne ender fast i metallets krystalgitter, skubbe gitteret ud af form og skabe stærke spændinger, der fremkalder bøjningen.

"Vi klipper materialet med en ionstråle i stedet for en saks, ved at skrive den fokuserede ionstråle hen over denne metalplade med et foreskrevet mønster, " Fang siger. "Så du ender med dette metalbånd, der krøller sammen" i det præcist planlagte mønster.

"Det er en meget fin forbindelse mellem de to felter, mekanik og optik, " Fang siger. Holdet brugte spiralformede mønstre til at adskille de polariserede dele med uret og mod uret af en lysstråle, som kan repræsentere "en helt ny retning" for nanokirigami-forskning, han siger.

Teknikken er ligetil nok til, at med de ligninger holdet udviklede, forskere skulle nu være i stand til at beregne baglæns ud fra et ønsket sæt optiske karakteristika og producere det nødvendige mønster af slidser og folder for at frembringe netop den effekt, siger Fang.

"Det tillader en forudsigelse baseret på optiske funktionaliteter" for at skabe mønstre, der opnår det ønskede resultat, tilføjer han. "Tidligere folk forsøgte altid at skære efter intuition" for at skabe kirigami-mønstre til et bestemt ønsket resultat.

Forskningen er stadig på et tidligt stadie, Fang påpeger, så der vil være behov for mere forskning i mulige anvendelser. Men disse enheder er størrelsesordener mindre end konventionelle modparter, der udfører de samme optiske funktioner, så disse fremskridt kan føre til mere komplekse optiske chips til sansning, beregning, eller kommunikationssystemer eller biomedicinsk udstyr, siger holdet.

For eksempel, Fang siger, enheder til måling af glukoseniveauer bruger ofte målinger af lyspolaritet, fordi glukosemolekyler findes i både højre- og venstrehåndsformer, som interagerer forskelligt med lys. "Når du passerer lys gennem opløsningen, du kan se koncentrationen af ​​en version af molekylet, i modsætning til blandingen af ​​begge, "Fang forklarer, og denne metode kunne give mulighed for meget mindre, mere effektive detektorer.

Cirkulær polarisering er også en metode, der bruges til at tillade flere laserstråler at rejse gennem et fiberoptisk kabel uden at forstyrre hinanden. "Folk har ledt efter et sådant system til laseroptiske kommunikationssystemer" for at adskille strålerne i enheder kaldet optiske isolatorer, Siger Fang. "Vi har vist, at det er muligt at lave dem i nanometerstørrelser."

Holdet inkluderede også MIT kandidatstuderende Huifeng Du; Zhiguang Liu, Jiafang Li (projektvejleder), og Ling Lu ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing; og Zhi-Yuan Li ved South China University of Technology. Arbejdet blev støttet af Kinas National Key R&D Program, Kinas National Natural Science Foundation, og US Air Force Office of Scientific Research.