Создан материал, способный быстро становиться прозрачным или отражающим в инфракрасном спектре — Naked Science
22.05.2020
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 (Санкт-Петербург) — национальный исследовательский университет, ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий. Альма-матер победителей международных соревнований по программированию: ICPC (единственный в мире семикратный чемпион), Google Code Jam, Facebook Hacker Cup, Яндекс.Алгоритм, Russian Code Cup, Topcoder Open и др. Приоритетные направления: IT, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, урбанистика, Art&Science, Science Communication.
8 часов назад
Илья Ведмеденко

Модернизированный стратегический бомбардировщик Ту-160 снова поднялся в небо. Самолет среди прочего получил обновленную силовую установку.

Сегодня, 06:05
Василий Парфенов

Статистика израильского Минздрава показывает неприятные новости для родителей, беспокоящихся о здоровье ребенка во время пандемии. По данным национального исследования, свыше 11% детей, которым поставили диагноз Covid-19, сохраняют симптомы заболевания более чем через 12 недель после заражения. Это состояние получило название «продолжительный» Covid-19, или «постковидный синдром», а его причины пока не до конца ясны медикам и ученым.

Позавчера, 13:58
Алиса Гаджиева

На месте будущей дороги в Калининградской области археологи обнаружили некрополь III-VI веков нашей эры.

16 сентября
Мария Азарова

Ученые проверили содержание побочных продуктов дезинфекции в чае, который заваривали водопроводной или наночистой водой с хлором. Уровни этих соединений в напитке были ниже, чем в самой воде, однако большинство из них оказались неизвестны исследователям — как и их воздействие на здоровье человека.

15 сентября
ПНИПУ

Ученые Пермского Политеха и Хуачжунского университета науки и технологии (КНР) создали уникальную технологию, которая позволит предприятиям производить промышленные изделия без дефектов. Лазерная сварка в вакууме позволит повысить качество ответственных конструкций в аэрокосмической и машиностроительной отраслях. Российские и зарубежные ученые реализовали разработку благодаря уникальному проекту международных исследовательских групп (МИГов), который действует в Пермском крае с 2011 года и не имеет аналогов в России.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

9 сентября
Алиса Гаджиева

Необычный артефакт обнаружили в одном из пунктов сбора вторсырья в Красноярском крае.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

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?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: