Создан материал, способный быстро становиться прозрачным или отражающим в инфракрасном спектре — Naked Science
8 минут
Университет ИТМО
1

Создан материал, способный быстро становиться прозрачным или отражающим в инфракрасном спектре

4.8

Современным оптическим приборам нужно постоянно менять свои характеристики взаимодействия со светом. Для этого служат различные механические приспособления, которые двигают линзы, поворачивают отражающие поверхности и перемещают лазерные излучатели. Международная группа ученых, куда вошли сотрудники Университета ИТМО и Эксетерского университета, предложила новый метаматериал, который может менять свои оптические характеристики без каких бы то ни было механических воздействий. Это может значительно повысить надежность и удешевить производство сложных оптических устройств.

Создан материал, способный быстро становиться прозрачным или отражающим в инфракрасном спектре / ©Пресс-служба ИТМО

Результаты работы исследователей попали на обложку журнала Optica. Бурное развитие науки в последние десятилетия дало человечеству очень широкий выбор новых материалов. Теперь создателям сложных механизмов необходимо все меньше подстраиваться под те ограничения, которые накладывают на их фантазию традиционные материалы.

Огромные перспективы открывают в этом смысле так называемые метаматериалы, над созданием которых работают в частности в Университете ИТМО. За счет сложного строения составных элементов функциональность таких структур в меньшей степени ограничена свойствами материалов, из которых они сделаны. Метаматериалы могут быть объемными, а могут быть и плоскими – в таком случае их называют метаповерхностями.

«Метаповерхности позволяют добиться очень многих интересных эффектов в управлении светом, – рассказывает старший научный сотрудник Нового Физтеха Университета ИТМО Иван Синев. – Однако у них есть проблема – все их свойства закладываются в момент производства и дальше остаются неизменными. Для устройств практического применения хотелось бы этими свойствами управлять не только в момент создания, но и по мере использования».

Эксперимент с новым метаматериалом / ©Пресс-служба ИТМО

В поисках материала для такой адаптивной оптики исследователи из Университета ИТМО, имеющие большой опыт в работе с кремниевыми метаповерхностями, объединились с коллегами из английского Университета Эксетера, которые давно исследуют материалы с фазовой памятью. К таким веществам относятся, к примеру, соединения германия, сурьмы и теллура (GeSbTe), которые часто используются в DVD-дисках.

«Мы сделали расчеты того, как должен выглядеть новый композитный материал на основе кремния, – рассказывает инженер Нового Физтеха Павел Трофимов, – вставка из GeSbTe у нас представлена в виде тонкого слоя между двумя слоями кремния. Получается такой бутерброд – сначала на исходную подложку напыляется кремний, затем слой материала с фазовой памятью, затем снова кремний».

Затем при помощи электронной литографии ученые получили массивы микроскопических гибридных дисков – метаповерхность, с которой уже и работали в лаборатории, проверяя ее свойства для управления светом.  Как и ожидалось, совмещение двух материалов дало очень важный эффект – уровень прозрачности получившейся поверхности можно было менять по ходу эксперимента.

Схема предложенной гибридной метаповерхности кремний/ПКМ, состоящей из массивов нанодисков кремний/ГСТ на подложке SiO2 / ©Пресс-служба ИТМО

Дело в том, что у кремниевого диска есть в ближней инфракрасной зоне два оптических резонанса, которые позволяют особенно сильно отражать направленный на поверхность ИК-луч. Слой GeSbTe позволил при определенных условиях «выключать» один из этих резонансов, делая диск практически полностью прозрачным для света в ближнем инфракрасном спектре.

Материалы с функциональной памятью имеют два состояния – кристаллическое, с жесткой упорядоченной структурой атомов, и аморфное. Если находящийся в центре метаматериала слой GeSbTe будет пребывать в кристаллическом состоянии, то второй резонанс пропадет, если же в аморфном, то диск по-прежнему будет отражать ИК-лучи.

«Чтобы переключать метаповерхность между двумя состояниями, мы использовали импульсный лазер с достаточно высокой энергией, – рассказывает Павел Трофимов, –короткий лазерный импульс нагревает слой GeSbTe до температуры плавления, после чего тот быстро остывает и аморфизуется. Если же на диск воздействовать серией коротких импульсов, то он остывает медленнее, застывая в кристаллической структуре».

Свойства новой метаповерхности могут пригодиться для самых разных применений. Прежде всего, это создание лидаров, устройств, сканирующих пространство с помощью излучения и приема отраженных объектами ИК-импульсов. Также потенциально принцип их создания можно взять за основу при производстве специальных сверхтонких линз для фотообъективов, к примеру, установленных в мобильных телефонах. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Университет ИТМО
18 статей
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО» — первое неклассическое высшее учебное заведение Санкт-Петербурга, один из национальных исследовательских университетов России.
9 часов назад
5 минут
Денис Гордеев

Объект K2-25b практически полностью состоит из ядра, а его газовая оболочка очень тонкая. Как так получилось — загадка для ученых.

7 часов назад
5 минут
Мария Кривоченко

Исследование ученых из США показало, что повышение температуры и накопление парниковых газов повлияли на деревья: они стали быстрее расти и поглощать больше углекислого газа. Специалисты считают, что количество лесов в ближайшие десятилетия будет увеличиваться, но экстремальная экологическая обстановка может нарушить этот процесс.

Вчера, 21:19
5 минут
Мария Кривоченко

Попав в пасть лягушки, жуки обычно погибают. Хотя земноводные не могут перемолоть их зубами, как это делают млекопитающие, желудочный сок разъедает большинство насекомых. Однако водолюбы смогли выжить и выбраться наружу через кишечник без повреждений.

Позавчера, 09:31
4 минуты
Сергей Васильев

Микроскоп с высокоскоростной камерой и компьютерное моделирование показали, что сперматозоиды плавают не за счет боковых движений хвоста, а быстро вращаясь всем телом.

2 августа
2 минуты
Илья Ведмеденко

Сегодня, в 20:00 (мск), должен состояться 150-метровый «прыжок» демонстратора технологий космического корабля Starship. Трансляцию вы сможете посмотреть на нашем сайте.

2 августа
35 минут
Александр Березин

На планете разворачивается новая лунная гонка. Российская космическая отрасль пытается обозначить участие в ней, патентуя многопусковой полет к спутнику Земли. Очевидно, что это лишь суррогат сверхтяжелых ракет, которых мы пока не строим. США, напротив, активно разрабатывают сразу два сверхтяжа – но и там не все гладко. Их лунная программа может испытать сильнейший удар в ближайший год. Скептики считают, что усилия всех участников гонки бесполезны. Мол, пилотируемые полеты к другим небесным телам не нужны, ибо дороги. Автоматы смогут все сделать намного дешевле. На деле лунная программа, как мы покажем ниже, не дороже полетов к МКС. Да и автоматы не дадут нам ничего подобного результатам пилотируемой лунной экспедиции. Попробуем разобраться почему.

6 июля
5 минут
Мария Азарова

Ученые, работающие с крупнейшим в мире радиотелескопом, сообщили об обнаружении эмиссии нейтрального водорода, исходящей от объектов за пределами нашей Галактики.

22 июля
66 минут
Александр Березин

С 2064 года численность людей начнет сокращаться — и этот процесс может быть необратим. Один из авторов соответствующей научной работы прямо указывает: если ничего не изменится, через несколько веков человечество вымрет. Однако есть вещи и похуже вымирания. Куда вероятнее иной сценарий: мир будет заселен теми, кто сможет размножаться в новых культурных условиях. К сожалению, значительная часть современных европейцев, американцев и, возможно, других народов будут вытеснены с первых страниц истории. Вдобавок те, кто победят в этой непростой борьбе, нам, сегодняшнему населению Земли, могут сильно не понравиться. Попробуем разобраться почему.

10 июля
7 минут
Мария Кривоченко

Биологи выяснили, какое воздействие оказывают радиоволны на эмбрионы рыб. Оказалось, они существенно не влияют на уровень смертности, морфологию и реакцию на свет, но немного подавляют сенсомоторные функции. Как это скажется на взрослых особях, еще предстоит выяснить.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

Владислав Гофман
23.05.2020
-
0
+
Это вотчина Алфёрова гетероструктуры. Ge линзы известны давно. В принципе за счёт смещений и накачки можно менять свойства слоистых структур,добиваясь не только зеркальных,но и голографические эффектов. Охлаждение можно вести путём введения термопар.
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: