Nano-arkitekteret materiale bryder lys bagud; et vigtigt skridt mod at skabe fotoniske kredsløb

Et nyskabt nano-arkitekteret materiale udviser en egenskab, som tidligere bare var teoretisk mulig:det kan bryde lys bagud, uanset i hvilken vinkel lyset rammer materialet.

Denne egenskab er kendt som negativ brydning, og det betyder, at brydningsindekset – den hastighed som lyset kan rejse gennem et givet materiale – er negativt over en del af det elektromagnetiske spektrum i alle vinkler.

Brydning er en fælles egenskab i materialer; tænk på, hvordan et sugerør i et glas vand ser ud til at være forskudt til siden, eller hvordan linser i briller fokuserer lyset. Men negativ brydning involverer ikke kun at flytte lyset et par grader til den ene side. I stedet sendes lyset i en vinkel helt modsat den, hvor det kom ind i materialet. Dette er ikke blevet observeret i naturen, men fra 1960'erne blev det teoretiseret at forekomme i såkaldte kunstigt periodiske materialer - det vil sige materialer konstrueret til at have et specifikt strukturelt mønster. Først nu har fremstillingsprocesser indhentet teorien for at gøre negativ brydning til virkelighed.

"Negativ brydning er afgørende for fremtiden for nanofotonik, som søger at forstå og manipulere lysets adfærd, når det interagerer med materialer eller faste strukturer i mindst mulige skalaer," siger Julia R. Greer, Caltechs Ruben F. og Donna Mettler-professor. of Materials Science, Mechanics and Medical Engineering, og en af ​​seniorforfatterne til et papir, der beskriver det nye materiale. Papiret blev udgivet i Nano Letters den 21. oktober.

Det nye materiale opnår sin usædvanlige egenskab gennem en kombination af organisering på nano- og mikroskala og tilføjelsen af ​​en belægning af en tynd metal-germaniumfilm gennem en tids- og arbejdskrævende proces. Greer er en pioner inden for skabelsen af ​​sådanne nanoarkitekterede materialer eller materialer, hvis struktur er designet og organiseret i nanometerskala, og som følgelig udviser usædvanlige, ofte overraskende egenskaber - for eksempel usædvanligt let keramik, der springer tilbage til deres oprindelige form, som en svamp, efter at være blevet komprimeret.

Under et elektronmikroskop ligner det nye materiales struktur et gitter af hule terninger. Hver terning er så lille, at bredden af ​​bjælkerne, der udgør terningens struktur, er 100 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Gitteret blev konstrueret ved hjælp af et polymermateriale, som er relativt nemt at arbejde med i 3D-print, og derefter belagt med metallet germanium.

"Kombinationen af ​​strukturen og belægningen giver gitteret denne usædvanlige egenskab," siger Ryan Ng (MS '16, Ph.D. '20), den tilsvarende forfatter til Nano Letters-papiret. Ng udførte denne forskning, mens han var kandidatstuderende i Greers laboratorium og er nu postdoc-forsker ved Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology i Spanien. Forskerholdet fokuserede på terning-gitterstrukturen og materialet som den rigtige kombination gennem en omhyggelig computermodelleringsproces (og viden om, at geranium er et højindeksmateriale).

For at få polymeren belagt jævnt i den skala med et metal krævede forskerholdet at udvikle en helt ny metode. Til sidst brugte Ng, Greer og deres kolleger en forstøvningsteknik, hvor en skive af germanium blev bombarderet med højenergi-ioner, der sprængte germaniumatomer ud af skiven og på overfladen af ​​polymergitteret. "Det er ikke let at få en jævn belægning," siger Ng. "Det tog lang tid og en stor indsats at optimere denne proces."

Teknologien har potentielle applikationer til telekommunikation, medicinsk billeddannelse, radarcamouflagering og databehandling.

I observation fra 1965 forudsagde Caltech-alumnus Gordon Moore (Ph.D. '54), et livstidsmedlem af Caltech Board of Trustees, at integrerede kredsløb ville blive dobbelt så komplicerede og halvt så dyre hvert andet år. Men på grund af de fundamentale grænser for effekttab og transistortæthed, der tillades af nuværende siliciumhalvledere, skulle den skalering, der forudsiges af Moores lov, snart slutte. "Vi er ved at nå slutningen af ​​vores evne til at følge Moores lov; at gøre elektroniske transistorer så små, som de kan blive," siger Ng. Det nuværende arbejde er et skridt i retning af at demonstrere optiske egenskaber, der ville være nødvendige for at aktivere 3D fotoniske kredsløb. Fordi lys bevæger sig meget hurtigere end elektroner, ville 3D fotoniske kredsløb i teorien være meget hurtigere end traditionelle.

Nano-bogstaverne papiret har titlen "Dispersion Mapping in 3-Dimensional Core-Shell Photonic Crystal Lattices Capable of Negative Refraction in the Mid-Infrared." + Udforsk yderligere

Nye materialer udviser splittet personlighed