Представьте себе окна, которые легко трансформируются в зеркала, или сверхскоростные компьютеры, работающие не на электронах, а на свете. Это лишь некоторые из потенциальных приложений, которые могут возникнуть из оптической инженерии, практики использования лазеров для быстрого и временного изменения свойств материалов.
«Эти инструменты могут позволить вам изменять электронные свойства материалов одним щелчком выключателя света», — говорит профессор физики Калифорнийского технологического института Дэвид Хси . «Но технологии были ограничены проблемой, связанной с тем, что лазеры создают слишком много тепла в материалах».
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature , Се и его команда, включая ведущего автора и аспиранта Джуньи Шаня, сообщают об успехе в использовании лазеров для резкого изменения свойств материалов без образования избыточного разрушительного тепла.
«Лазеры, необходимые для этих экспериментов, очень мощные, поэтому трудно не нагреться и не повредить материалы», — говорит Шан. «С одной стороны, мы хотим, чтобы материал подвергался воздействию очень интенсивного лазерного излучения. С другой стороны, мы не хотим, чтобы материал вообще поглощал этот свет».
По словам Шаня, команда нашла «золотую середину», чтобы обойти это, когда частота лазера настраивается таким образом, чтобы заметно изменить свойства материала без выделения нежелательного тепла.
Ученые также говорят, что нашли идеальный материал для демонстрации этого метода. Этот материал, полупроводник, называемый трисульфидом фосфора марганца, естественным образом поглощает лишь небольшое количество света в широком диапазоне инфракрасных частот. В своих экспериментах Се, Шан и его коллеги использовали интенсивные инфракрасные лазерные импульсы, каждый продолжительностью около 10-13 секунд, чтобы быстро изменить энергию электронов внутри материала. В результате материал перешел из очень непрозрачного состояния в очень прозрачное для определенных цветов света.
Исследователи говорят, что еще более важным является то, что этот процесс обратим. Когда лазер выключается, материал мгновенно возвращается в исходное состояние совершенно невредимым. Это было бы невозможно, если бы материал поглотил лазерный свет и нагрелся, потому что материалу потребуется много времени, чтобы рассеять тепло. Манипуляция без нагрева, используемая в новом процессе, известна как «когерентная оптическая инженерия».
Этот метод работает, потому что свет изменяет разницу между энергетическими уровнями электронов в полупроводнике (так называемые запрещенные зоны), не переводя электроны на разные энергетические уровни, что и приводит к выделению тепла.
Полученные данные, по словам Се, означают, что другие исследователи теперь потенциально могут использовать свет для искусственного создания материалов, таких как экзотические квантовые магниты, которые в противном случае было бы трудно или даже невозможно создать естественным путем.
«В принципе, этот метод может изменять оптические, магнитные и многие другие свойства материалов», — говорит Шан. «Это альтернативный способ заниматься материаловедением. Вместо того, чтобы создавать новые материалы для реализации различных свойств, мы можем взять только один материал и в конечном итоге придать ему широкий спектр полезных свойств».
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК