En smarttelefonskärm som kan producera 3D-bilder måste kunna vrida ljuset som den avger. Nu, forskare vid University of Michigan och Ben-Gurion University i Negev har upptäckt ett sätt att massproducera spiralhalvledare som kan göra just det.

1962, Ingenjörerna från University of Michigan E. Leith och J. Upatnieks presenterade realistiska 3D-bilder med uppfinningen av praktisk holografi. De första holografiska fågelbilderna på ett tåg gjordes genom att skapa stående ljusvågor med ljusa och mörka fläckar i rymden, som skapar en illusion av materiellt föremål. Det möjliggjordes genom att styra polarisering och ljusfas, dvs. riktningen och tidpunkten för elektromagnetiska vågfluktuationer.

Halvledarspiralerna som skapats av UM-ledda team kan göra exakt det med fotoner som passerar genom, reflekteras från, och avges av dem. De kan införlivas i andra halvledaranordningar för att variera polarisationen, fas, och ljusfärg från de olika pixlarna, var och en av dem tillverkade av de exakt designade halvledarspiralen.

Tills nu, att göra halvledare spiraler med tillräckligt stark vridning - som påminner om nanoskala fusillipasta - var ett svårt perspektiv eftersom det vridna tillståndet är onaturligt för halvledarmaterial. De bildar vanligtvis ark eller trådar. Men Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i kemiteknik och hans team har hittat ett sätt att styra fästningen av små halvledarnanopartiklar till varandra genom att lära av naturens vridna strukturer:proteiner och DNA.

"Aminosyror är de grundläggande byggstenarna för proteiner, "sa Wenchun Feng, en postdoktor i Kotovs laboratorium och huvudförfattaren. "Riktningen för proteinspiralen bestäms av aminosyrornas geometriska egenskap. Vi fann att en vanlig aminosyra, cystein, att arbeta tillsammans i stort antal kan vrida inte bara proteiner utan också halvledare. "

Teamet belagde nanopartiklar gjorda av kadmiumtellurid, en halvledare som kan avge ljus, med cystein. Cysteinmolekyler finns i två former som är spegelbilder av varandra, så det är känt som en "kiral" molekyl. De observerade nanopartiklar som spontant självmonterades till halvledartorn "tornados" efter aminosyrans chiralitet åt höger eller vänster.

En av teamets oväntade resultat var hur hög trovärdigheten för denna självmonteringsprocess var och hur stark spiralen var. Nästan alla - 98 procent - av halvledarspiraler hade samma vridriktning och såg faktiskt ut som nanoskala fusilli. Vissa organiska molekyler kan bilda organiska spiraler, för, men den lättvridande förmågan hos halvledarspiraler gjorda av Kotov och kollegor är minst fem gånger starkare och kan varieras med elektriska fält.

När de lyste genom halvledarna, de registrerade fotonerna som virvlade igenom dem. Genom en kombination av experiment och datasimuleringar, forskarna utvecklade designprinciper och metoder för att konstruera de optiska egenskaperna hos halvledarhylsorna för de olika färgerna i framtida holografi -enheter.

En av de oväntade konsekvenserna av detta teknikdrivna projekt var att få en inblick i mysterier kring hur livet kan ha uppstått på jorden och varför många biologiska molekyler på ett tillförlitligt sätt följer antingen medurs eller moturs. Kotov föreslår att aminosyror, som är kända för att bildas spontant i rymdstoft, kan ha samlat nanopartiklar till spiraler som vridit ljuset från de tidiga stjärnorna, fungerar som stabila oorganiska mallar för organiska molekyler och partiklar för att följa samma mönster.

Arbetet beskrivs i en uppsats i Science Advances med titeln, "Montering av mesoskala-spiraler med nästan-enhetlig enantiomerisk överskott och ljus-materia-interaktioner för kirala halvledare." Se abstraktet på advances.sciencemag.org/content/3/3/e1601159.