研究人員發(fā)現(xiàn)控制紅外線的新方法

在1950年代，晶體管取代了計算機中的真空管時，電子領(lǐng)域開始發(fā)生變化。這種變化需要用大而快的組件替換大而慢的組件，這是持久的計算機設(shè)計小型化趨勢的催化劑。紅外光學(xué)領(lǐng)域尚未發(fā)生過這樣的革命，紅外光學(xué)領(lǐng)域仍然依賴于體積龐大的運動部件，因此無法構(gòu)建小型系統(tǒng)。

但是，麻省理工學(xué)院林肯實驗室的一組研究人員與胡覺軍教授 以及麻省理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程系的研究生一起，正在研究一種通過使用相變材料而不是移動部件來控制紅外光的方法。當添加能量時，這些材料具有改變其光學(xué)性質(zhì)的能力。

胡說：“這種材料可以通過多種可能的方式來啟用影響人們生活的新型光子器件。” “例如，它對于節(jié)能型光交換機很有用，它可以提高網(wǎng)絡(luò)速度并減少互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的功耗。它可以啟用可重新配置的元光學(xué)設(shè)備，例如不帶機械運動部件的緊湊型扁平紅外變焦鏡頭。它也可以帶來新的計算系統(tǒng)，與當前的解決方案相比，它可以使機器學(xué)習(xí)更快，更節(jié)能。”

相變材料的基本特性是它們可以改變光通過它們的速度(折射率)。“已經(jīng)有使用折射率變化來調(diào)制光的方法，但是相變材料的變化可以好將近1000倍，”實驗室高級材料和微系統(tǒng)小組的成員Jeffrey Chou說。

該團隊通過使用包含鍺，銻，硒和碲元素的新型相變材料(統(tǒng)稱為GSST)，成功地控制了多個系統(tǒng)中的紅外光。 在Nature Communications 上發(fā)表的一篇論文中 討論了這項工作 。

相變材料的魔力發(fā)生在將其原子束縛在一起的化學(xué)鍵中。在一種相態(tài)下，該材料是晶體，其原子排列成有組織的圖案?？梢酝ㄟ^在材料上施加短暫的高溫?zé)崮芊鍋砀淖冞@種狀態(tài)，從而使晶體中的鍵斷裂，然后以更隨機或無定形的形式重新形成。為了使材料變回結(jié)晶狀態(tài)，施加了中長期的熱能脈沖。

研究團隊的另一位林肯實驗室成員克里斯托弗·羅伯茨說：“化學(xué)鍵的這種變化允許出現(xiàn)不同的光學(xué)性質(zhì)，類似于煤(無定形)和鉆石(結(jié)晶)之間的差異。” “雖然兩種材料主要都是碳，但它們的光學(xué)特性卻大不相同。”

當前，相變材料用于工業(yè)應(yīng)用，例如藍光技術(shù)和可擦寫DVD，因為它們的特性可用于存儲和擦除大量信息。但是到目前為止，還沒有人將它們用于紅外光學(xué)系統(tǒng)，因為它們在一種狀態(tài)下趨于透明而在另一種狀態(tài)下趨于不透明。(想一想，鉆石可以使光通過，而煤，其光不能穿透。)如果光不能通過一種狀態(tài)，那么就不能在一系列用途中對光進行充分的控制。取而代之的是，系統(tǒng)只能像開/關(guān)開關(guān)那樣工作，從而允許光線穿過材料或完全不穿過。

但是，研究小組發(fā)現(xiàn)，通過將硒元素添加到原始材料(稱為GST)中，該材料在結(jié)晶相中對紅外光的吸收急劇下降-實質(zhì)上是將其從不透明的類煤材料變?yōu)楦该鞯牟牧舷胥@石一樣。此外，兩種狀態(tài)的折射率差異很大，會影響光通過它們的傳播。

羅伯茨說：“折射率的這種變化在不引入光學(xué)損耗的情況下，允許設(shè)計無需機械部件即可控制紅外光的設(shè)備。”

例如，假設(shè)有一個激光束指向一個方向，并且需要更改為另一個方向。在當前系統(tǒng)中，大型機械萬向架將物理地移動透鏡以將光束轉(zhuǎn)向另一個位置。由GSST制成的薄膜透鏡可以通過對相變材料進行電編程來??改變位置，從而無需任何移動部件即可進行光束轉(zhuǎn)向。

該團隊已經(jīng)在移動鏡頭中成功測試了材料。他們還證明了其在紅外高光譜成像中的用途，該紅外高光譜成像用于分析圖像中的隱藏對象或信息，以及在能夠關(guān)閉納秒級的快速光學(xué)快門中。

GSST的潛在用途是廣泛的，該團隊的最終目標是設(shè)計可重新配置的光學(xué)芯片，透鏡和濾光片，目前，每次需要進行更改時，都必須從頭開始對其進行重新構(gòu)建。一旦團隊準備將材料轉(zhuǎn)移到研究階段之外，就應(yīng)該很容易將其過渡到商業(yè)領(lǐng)域。由于GSST組件已經(jīng)與標準微電子制造工藝兼容，因此可以低成本大量生產(chǎn)。

最近，實驗室獲得了組合濺射室，這是一臺先進的機器，可以使研究人員從單個元素中創(chuàng)建定制材料。該團隊將使用該腔室進一步優(yōu)化材料，以提高可靠性和開關(guān)速度，以及用于低功耗應(yīng)用。他們還計劃試驗可能對控制可見光有用的其他材料。

該團隊的下一步是仔細研究GSST的實際應(yīng)用，并了解這些系統(tǒng)在功率，尺寸，開關(guān)速度和光學(xué)對比度方面需要什么。

“(這項研究的)影響是雙重的，”胡說。相變材料與其他物理效應(yīng)(例如，由電場或溫度變化引起的)相比，具有顯著增強的折射率變化，從而實現(xiàn)了極其緊湊的可重編程光學(xué)器件和電路。我們在這些材料中的雙態(tài)光學(xué)透明性的展示也很重要，因為我們現(xiàn)在可以制造出光學(xué)損失最小的高性能紅外組件。”胡先生繼續(xù)說道，新材料有望在光電子領(lǐng)域開辟一個全新的設(shè)計空間。紅外光學(xué)。