Съвсем нова дума във фотониката: как „компресирането“ на инфрачервената светлина ще промени технологиите
Учени представиха нови материали за изобразяване в инфрачервената област.
Изследователи демонстрираха за първи път, че определен клас оксидни мембрани могат да ограничават или „компресират“ инфрачервената светлина. Това откритие открива нови перспективи за следващото поколение технологии за инфрачервени изображения. Тънкослойните мембрани са значително по-добри в ограничаването на инфрачервената светлина в сравнение с обемните кристали, които досега бяха стандартна технология.
„Тънкослойните мембрани запазват желаната инфрачервена честота, но компресират дължината на вълната, което позволява на устройствата за визуализация да заснемат изображения с по-висока резолюция“,
обяснява Ин Лиу, съавтор на статията и доцент по материалознание и инженерство в Държавния университет на Северна Каролина.
Изследването показва, че инфрачервената светлина може да бъде сведена до 10% от дължината на вълната, като същевременно се запазва нейната честота, което означава, че времето, необходимо на вълната да завърши един цикъл, остава същото, но разстоянието между върховете на вълната е значително намалено. За сравнение, обемните кристали позволяват ограничаване на инфрачервената светлина само до 97% от дължината на вълната.

„Преди това подобно поведение бе само теоретично предвидено, но ние успяхме да го демонстрираме експериментално за пръв път благодарение на нашия метод за получаване на тънкослойни мембрани и новото използване на синхротронна спектроскопия на близкото поле“,
добавя Руиджуан Сю, съавтор на статията и доцент по материалознание и инженерство в Държавния университет на Северна Каролина.
За това изследване учените са използвали перовскитни материали от преходни метали. По-конкретно, те са използвали импулсно лазерно отлагане, за да отгледат 100-нанометрова кристална мембрана от стронциев титанат (SrTiO3) във вакуумна камера. Кристалната структура на този тънък филм е с високо качество, което означава, че броят на дефектите е минимален. След това тези тънки филми са отстранени от подложката, върху която са отгледани, и са поставени върху повърхността на силициев оксид на силициевата подложка.
За да ги анализират, учените използват технологията, налична в Advanced Light Source в Националната лаборатория „Лорънс“ в Бъркли, като извършват синхротронна спектроскопия на близкото поле върху тънкия филм от стронциев титанат, като го излагат на инфрачервена светлина. Това им позволява да запишат взаимодействието на материала с инфрачервената светлина на нанометрово ниво.

За да се разберат резултатите, е трябвало да се разгледат отново понятията за фонони, фотони и поляритони. Фононите и фотоните са начини за пренос на енергия през и между материалите. Фононите са енергийни вълни, причинени от вибрациите на атомите, докато фотоните са вълни от електромагнитна енергия. Фононните поляритони възникват, когато инфрачервен фотон взаимодейства с „оптичен“ фонон, който може да излъчва или поглъща светлина.
„Теоретичната работа предполага, че мембраните от перовскитни оксиди на преходни метали биха позволили на фононните поляритони да ограничат инфрачервената светлина“, казва Лиу. – „Нашите изследвания сега показват, че фононните поляритони наистина ограничават фотоните и не им позволяват да се разпространяват извън повърхността на материала“.

„Това откритие създава нов клас оптични материали за контрол на светлината с дължина на вълната в инфрачервения диапазон, което има потенциално приложение във фотониката, сензорите и управлението на топлината“, добавя Лиу. – Представете си възможността за разработване на компютърни чипове, които биха могли да използват тези материали за разсейване на топлината, превръщайки я в инфрачервена светлина“.

Сю добавя: „Този метод на създаване на тези нови материали позволява лесното интегриране на тънки филми с широк спектър от субстрати. Това би трябвало да улесни вграждането на материалите в различни видове устройства“.
По този начин резултатите от работата откриват нови хоризонти в областта на инфрачервените изображения и управлението на топлината, като предлагат иновативни решения за развитието на фотониката и сензорните технологии.