Большинство из нас все время контролируют свет, даже не задумываясь об этом: мы надеваем солнцезащитные очки, наносим солнцезащитный крем и закрываем — или открываем — наши оконные жалюзи.
Но управление светом также может происходить в высокотехнологичных формах. Экран компьютера, планшета или телефона, на котором вы читаете это, является одним из примеров. Другой — телекоммуникации, которые управляют светом для создания сигналов, передающих данные по оптоволоконным кабелям.
Ученые также используют высокотехнологичные методы для управления светом в лаборатории, и теперь, благодаря новому прорыву, в котором используется специальный материал толщиной всего в три атома, они могут управлять светом более точно, чем когда-либо прежде.
Работа проводилась в лаборатории Гарри Этуотера , руководителя отдела Отиса Бута отдела инженерии и прикладных наук, профессора прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза и директора Liquid Sunlight Alliance (LiSA).
Чтобы понять работу, полезно сначала вспомнить, что свет существует как волна и что он обладает свойством, известным как поляризация, который описывает направление, в котором колеблются волны. Представьте, что вы находитесь в лодке, покачивающейся в океане: Океанские волны имеют вертикальную поляризацию, что означает, что когда они проходят под лодкой, они поднимаются и опускаются. Световые волны ведут себя примерно так же, за исключением того, что эти волны могут быть поляризованы под любым углом. Если бы лодка могла перемещаться по волнам света, она могла бы раскачиваться из стороны в сторону, по диагонали или даже по спирали.
Поляризация относится к ориентации, в которой колеблется волна (включая свет). Угол поляризации можно изменять. Предоставлено: Smouss / Wikimedia Commons.
Поляризация может быть полезной, потому что позволяет управлять светом определенным образом. Например, линзы в ваших солнцезащитных очках блокируют блики (свет часто становится поляризованным, когда он отражается от поверхности, например от окна автомобиля). Экран настольного калькулятора создает разборчивые числа, поляризуя свет и блокируя его в определенных областях. Те области, где поляризованный свет блокируется, кажутся темными, а области, где свет не блокируется, кажутся светлыми.
Дисплей калькулятора, который использует свойства поляризованного света для создания светлых и темных областей, которые читаются как числа и другие цифры. Предоставлено: Дэвид Р. Триббл / Wikimedia Commons.
В статье Этуотер и его соавторы описывают, как они использовали три слоя атомов фосфора для создания настраиваемого, точного и чрезвычайно тонкого материала для поляризационного света.
Материал состоит из так называемого черного фосфора, который во многом похож на графит или графен, формы углерода, которые состоят из слоев толщиной в один атом. Но в то время как слои графена идеально плоские, слои черного фосфора ребристые, как текстура пары вельветовых брюк или гофрированного картона. (Фосфор также бывает красной, белой и фиолетовой форм, которые отличаются расположением атомов внутри него.)
Эта кристаллическая структура, по словам Этуотера, придает черному фосфору значительно анизотропные оптические свойства. «Анизотропия означает, что она зависит от угла», — объясняет он. «В таком материале, как графен, свет поглощается и отражается одинаково независимо от угла, под которым он поляризован. Черный фосфор сильно отличается в том смысле, что, если поляризация света выровнена вдоль складок, он будет иметь совсем другой отклик, чем если бы он выровнен перпендикулярно гофрам».
Когда поляризованный свет ориентируется поперек гофров в черном фосфоре, он взаимодействует с материалом иначе, чем когда он ориентирован вдоль гофров.
Листы из черного фосфора, как и эта вельветовая ткань, ребристые. Предоставлено: Ариэль Гленн / Wikimedia Commons.
Однако многие материалы могут поляризовать свет, и сама по себе эта способность не особенно полезна. По словам Этуотера, черный фосфор делает особенным то, что он также является полупроводником, материалом, проводящим электричество лучше, чем изолятор, например стекло, но не так хорошо, как металл, такой как медь. Кремний в микрочипах — это пример полупроводника. И точно так же, как крошечные структуры, построенные из кремния, могут управлять потоком электричества в микрочипе, структуры, построенные из черного фосфора, могут управлять поляризацией света при подаче на них электрического сигнала.
«Эти крошечные структуры делают это преобразование поляризации, — говорит Этуотер, — так что теперь я могу сделать что-то очень тонкое и настраиваемое в нанометровом масштабе. Я мог бы создать массив этих маленьких элементов, каждый из которых может преобразовывать поляризацию. в другое состояние отраженной поляризации «.
Технология жидкокристаллических дисплеев (LCD), используемая в экранах телефонов и телевизоров, уже обладает некоторыми из этих возможностей, но технология черного фосфора может значительно опередить ее. «Пиксели» массива черного фосфора могут быть в 20 раз меньше, чем у ЖК-дисплеев, но при этом реагировать на входные сигналы в миллион раз быстрее.
По словам Этуотера, такие скорости не нужны для просмотра фильмов или чтения статей в Интернете, но они могут произвести революцию в области телекоммуникаций. Волоконно-оптический кабель, по которому световые сигналы передаются в телекоммуникационные устройства, может передавать только определенное количество сигналов, прежде чем они начнут мешать и подавлять друг друга, искажая их (изображение пытается услышать, что говорит друг в переполненном и шумном баре) . Но телекоммуникационное устройство, основанное на тонких слоях черного фосфора, могло настраивать поляризацию каждого сигнала так, чтобы никто не мешал друг другу. Это позволило бы оптоволоконному кабелю передавать гораздо больше данных, чем сейчас.
Этуотер говорит, что эта технология также может открыть дверь для световой замены Wi-Fi, который исследователи в этой области называют Li-Fi.
«Все чаще мы будем рассматривать световые волны в открытом космосе», — говорит он. «Освещение, подобное этой очень красивой на вид лампе над моим столом, не несет никакого сигнала связи. Оно просто обеспечивает свет. Но нет причин, по которым вы не могли бы сидеть в будущем Starbucks и иметь свой ноутбук, принимающий световой сигнал для его беспроводной связи.».
Статья, описывающая работу, называется « Широкополосное электрооптическое преобразование поляризации с атомарно тонким черным фосфором ». Ведущий автор — Сувик Бисвас, аспирант по прикладной физике. Другими соавторами являются Меир Ю. Граджовер, научный сотрудник, научный сотрудник прикладной физики и материаловедения, а также Кенджи Ватанабе и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения в Японии.
«Это захватывающее время для открытия новых материалов, которые могут сформировать будущее фотонных устройств», — говорит Бисвас. «Было бы отрадно, если бы однажды вы смогли купить коммерческий продукт, сделанный из таких атомарно тонких материалов, и этот день, возможно, не так уж и далек».
Финансирование исследования было предоставлено Министерством энергетики США; Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии; Японским обществом содействия науке; и Японским агентством науки и технологий.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК