里程碑意义新发现:在军方激光器、精密传感器等发挥关键作用

一项由美陆军资助的纽约大学新研究发现,可能会在未来十年改变研究人员开发和使用光学技术的方式,例如激光,传感器光子电路。经过多年的研究,科学家团队实现了许多人认为可能不可能实现的目标,他们开发了一种方法来制造可结晶成钻石晶格的胶体。这项发表在自然》上,研究中光子技术可以导致廉价,可靠和可扩展的3D光子晶体制造,以用于光学电路和滤光片。

里程碑意义新发现:在军方激光器、精密传感器等发挥关键作用
在纽约大学的一项由军方资助的研究中,开发了一种方法来制造可结晶成钻石晶格的胶体。

这些3D光子晶体-稳定组装的微小材料的自组装结构-可以为轻量级高效激光器,3D光子电路的精确光控制以及用于管理无线电信号的新材料打开大门。

高效激光是陆军现代化优先重点的关键,包括空中和导弹防御,因为它们在精确感测和定向能源系统中均扮演着关键角色。同样,高效激光器和集成光子电路将在下一代技术中发挥关键作用,例如光子量子计算,用于精确导航和计时的原子钟和陀螺仪以及尺寸,重量和功率得到改善的光学系统。

对第一个自组装胶体金刚石晶格的长期寻求证明将为国防部重要技术带来新的研发机会,这些技术可能会受益于3D光子晶体。

胶体晶体由比人的头发直径小数百倍的球形组成,可以根据球形之间的连接方式以不同的晶体形状排列。每个胶体都使用粘合在胶体表面上的DNA链与另一种胶粘分子,这种DNA链起一种分子粘合作用,当胶体相互碰撞时,DNA断裂和胶体连接在一起。根据DNA连接到胶体的位置,可以对它们进行编程以自发创建复杂的结构。

里程碑意义新发现:在军方激光器、精密传感器等发挥关键作用

过去已使用此过程来创建胶体串,甚至形成密堆积的立方胶体晶体,但不使用钻石结构-钻石结构显示可见光的光学带隙。就像半导体在电路中过滤掉电子一样,光学带隙完全排斥某些波长的光。仅当胶体以金刚石形式排列时,以这种方式过滤光才是可行的,这种方法以前被认为太过困难且昂贵,无法以商业规模进行。

研究人员发现,他们可以使用空间互锁机制,该机制会自发产生必要的交错键,从而使这种结构成为可能。当这些金字塔状胶体彼此接近时,它们以必要的方向连接以生成菱形。通过使用自上而下的方法(例如纳米加工)来构建这些结构,无需经历困难而昂贵的过程,该机制允许胶体自下而上地构造,而无需外界干扰。此外,即使去除了形成的液体,金刚石结构也是稳定的。

该研究团队现在致力于将这些胶体钻石转换为可在实际环境中使用的3D光子晶体。他们已经在使用可以滤除光波长的新结构制造材料,以证明在未来技术中的实用性。

国家科学基金会也资助了这项研究。

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