Omgivende lys ændrer brydning i 2D-materiale

Mikroskopiske krystaller i tantaldisulfid har en hovedrolle i, hvad der kunne blive et hit for 3D-skærme, virtual reality og endda selvkørende køretøjer.

En todimensional række af materialet har unikke optiske egenskaber, der kan kontrolleres under omgivende forhold og under generel belysning, ifølge ingeniør Gururaj Naik og kandidatstuderende Weijian Li fra Rice's Brown School of Engineering.

Når de trækker en todimensional splint af en bulkprøve (med det gennemprøvede værktøj, selvklæbende tape) og skinne lys på det, det lagdelte materiale omarrangerer ladningstæthedsbølgerne af elektroner, der strømmer igennem, ændrer dets brydningsindeks.

Lys, der udsendes langs den berørte akse, ændrer farve afhængigt af styrken af ​​det lys, der går ind.

Opdagelsen er beskrevet i det amerikanske tidsskrift American Chemical Society Nano bogstaver .

"Vi har brug for et optisk materiale, der kan ændre brydningsindekset til applikationer som virtual reality, 3D-skærme, optiske computere og lidar, som er nødvendigt for autonome køretøjer, " sagde Naik, en adjunkt i elektro- og computerteknik. "På samme tid, det skal være hurtigt. Først da kan vi aktivere disse nye teknologier."

Tantal disulfid, en halvledende, lagdelt sammensætning med et prismatisk metalcenter, ser ud til at passe til regningen. Materialet er allerede kendt for at rumme ladningstæthedsbølger ved stuetemperatur, der tillader justeringer af dets elektriske ledningsevne, men styrken af ​​lysinput ændrer også dets brydningsindeks, som kvantificerer den hastighed, hvormed lyset bevæger sig igennem. Det gør den indstillelig, sagde Naik.

Når de udsættes for lys, tantallaget reorganiseres til et gitter af 12-atom stjerner, som Davidsstjernen eller sheriffens badges, der letter ladningstæthedsbølger. Hvordan disse stjerner er stablet afgør, om forbindelsen er isolerende eller metallisk langs sin c-akse.

Det viser sig, at det også bestemmer dets brydningsindeks. Lys udløser stjernerne til at justere, ændring af ladningstæthedsbølgerne nok til at påvirke materialets optiske konstanter.

"Dette tilhører en klasse af, hvad vi kalder stærkt korrelerede materialer, hvilket betyder, at elektronerne interagerer stærkt med hinanden, " sagde Li. "I dette tilfælde, vi kan forudsige de egenskaber, der viser en stærk reaktion på en ekstern stimulus."

At stimulus er lige så mild som omgivende hvidt lys er et plus, tilføjede Naik. "Dette er det første materiale, vi har set, hvor lysets interaktion ikke kun sker med enkelte partikler, men med en samling af partikler sammen, ved stuetemperatur, " sagde han. Fænomenet ser ud til at virke i tantaldisulfid så tyndt som 10 nanometer og så tykt som en millimeter, han sagde.

"Vi mener, at dette er en vigtig opdagelse for dem, der studerer stærkt korrelerede materialer til applikationer, " sagde Naik. "Vi viser, at lys er en meget kraftfuld knap til at ændre, hvordan korrelationen strækker sig i dette materiale."