研究人员开发出一种可以隐形或反射性超材料

ITMO大学和埃克塞特大学的工作人员组成的国际研究小组提出了一种能够在不需要任何机械输入的情况下改变其光学特性的新型超材料。这是一种可以隐形材料或反射性材料。这一发展可能会使复杂光学器件的可靠性得到显著提高,同时使其制造成本更低。

过去几十年来,物理学和材料科学的快速发展为人类带来了广泛的材料选择。现在,设计复杂器件不再受传统材料的限制,如金属、木材、玻璃或矿物等传统材料的限制。在这方面,在ITMO大学等研究的所谓的超材料提供了令人难以置信的机会。

研究人员开发出一种可以隐形或反射性超材料
ITMO大学物理与工程系的高级研究员

“超曲面使我们能够在操纵光的过程中实现许多有趣的效果,”ITMO大学物理与工程系高级研究员Ivan Sinev说。”但这些元曲面有一个问题:它们如何与光相互作用是在我们设计其结构的瞬间就决定了。在创造实际使用的器件时,我们希望不仅在一开始就能控制这些特性,而且在使用过程中也能控制这些特性。”

在寻找自适应光学器件的材料时,来自ITMO大学的研究人员与来自英国埃克塞特大学的同事们联合起来,他们在处理硅超表面方面拥有丰富的经验。例如,这类材料中就有经常被用于DVD中的碲化锗锑(GeSbTe)化合物。

“我们进行了计算,看看这种新的复合材料会是什么样子,”物理与工程系博士生Pavel Trofimov说。”我们在两层硅之间嵌入了一层薄薄的GeSbTe,作为两层硅之间的夹层。这是一种夹心层:首先我们在空白衬底上涂上一层硅,然后涂上一层相变材料,再涂上一些硅。”

然后,利用电子束光刻技术的方法,科学家们将这种分层结构转化成了一个元表面:一个由微型磁盘组成的阵列,然后在实验室里对其操纵光线的能力进行了测试。正如研究人员所料,将两种材料组合成复杂的周期性结构后,产生了一个重要影响:在整个实验过程中,所得到的表面的透明度水平可以发生变化。原因在于,近红外区域的硅片具有两个光学共振,使其能够强烈地反射指向其表面的红外光束。GeSbTe层使其能够 “关闭 “两个共振中的一个,使该磁盘在近红外区域对光几乎透明。

相变材料有两种状态:一种是晶体状态,其分子以有序结构定位的晶体状态,另一种是非晶态。如果处于元材料中心的GeSbTe层处于结晶状态,则第二种共振将消失;如果处于非晶态,则圆盘将继续反射红外光束。

“为了在两种元材料状态之间切换,我们使用了足够强大的脉冲激光器,”Pavel Trofimov解释道。”通过将激光聚焦到我们的磁盘上,使其能够相对快速地进行切换。短暂的激光脉冲将GeSbTe层加热至熔点,之后迅速冷却并变成非晶态。如果我们对其进行一系列的短脉冲,冷却速度会更慢,并沉降到结晶状态。”

这种新的超晶面特性可以用于各种应用。这首先包括创造激光雷达—通过发射红外脉冲并接收反射光束扫描空间设备。它们的制造原理也可以作为生产特殊的超薄摄影镜头的基础,例如手机相机中使用的镜头。

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