På 1950-talet elektronikområdet började förändras när transistorn ersatte vakuumrör i datorer. Ändringen, vilket innebar att stora och långsamma komponenter ersattes med små och snabba, var en katalysator för den bestående trenden med miniatyrisering inom datordesign. Ingen sådan revolution har ännu drabbat området för infraröd optik, som förblir beroende av skrymmande rörliga delar som förhindrar att små system byggs.

Dock, ett team av forskare vid MIT Lincoln Laboratory, tillsammans med professor Juejun Hu och doktorander från MIT:s institution för materialvetenskap och teknik, utarbetar ett sätt att kontrollera infrarött ljus genom att använda fasförändringsmaterial istället för rörliga delar. Dessa material har förmågan att ändra sina optiska egenskaper när energi tillförs dem.

"Det finns flera möjliga sätt där detta material kan möjliggöra nya fotoniska enheter som påverkar människors liv, "säger Hu." Till exempel det kan vara användbart för energieffektiva optiska omkopplare, vilket kan förbättra nätverkshastigheten och minska strömförbrukningen för internetdatacenter. Det kan möjliggöra omkonfigurerbara meta-optiska enheter, som kompakt, platta infraröda zoomobjektiv utan mekaniska rörliga delar. Det kan också leda till nya datorsystem, som kan göra maskininlärning snabbare och mer energieffektiv jämfört med nuvarande lösningar."

En grundläggande egenskap hos fasförändringsmaterial är att de kan förändra hur snabbt ljuset färdas genom dem (brytningsindex). "Det finns redan sätt att modulera ljus med en förändring av brytningsindex, men fasförändringsmaterial kan förändras nästan 1, 000 gånger bättre, " säger Jeffrey Chou, en teammedlem tidigare i laboratoriets Advanced Materials and Microsystems Group.

Teamet kontrollerade framgångsrikt infrarött ljus i flera system genom att använda en ny klass av fasförändringsmaterial som innehåller elementen germanium, antimon, selen, och tellur, gemensamt känd som GSST. Detta arbete diskuteras i en artikel publicerad i Naturkommunikation .

Ett fasförändringsmaterials magi uppstår i de kemiska bindningarna som binder samman dess atomer. I ett fasläge, materialet är kristallint, med dess atomer ordnade i ett organiserat mönster. Detta tillstånd kan ändras genom att använda en kort, högtemperaturspets av termisk energi till materialet, får bindningarna i kristallen att brytas ner och sedan reformeras i en mer slumpmässig, eller amorf, mönster. För att ändra materialet tillbaka till det kristallina tillståndet, en lång- och medeltemperaturpuls av termisk energi appliceras.

"Denna förändring av de kemiska bindningarna gör att olika optiska egenskaper kan uppstå, liknande skillnaderna mellan kol (amorft) och diamant (kristallint), säger Christopher Roberts, en annan Lincoln Laboratory-medlem i forskargruppen. "Medan båda materialen mestadels är kol, de har väldigt olika optiska egenskaper."

För närvarande, fasförändringsmaterial används för industritillämpningar, som Blu-ray-teknik och omskrivbara DVD-skivor, eftersom deras egenskaper är användbara för att lagra och radera en stor mängd information. Men hittills, ingen har använt dem i infraröd optik eftersom de tenderar att vara transparenta i ett tillstånd och ogenomskinliga i det andra. (Tänk på diamanten, som ljus kan passera genom, och kol, vilket ljus inte kan penetrera.) Om ljus inte kan passera genom ett av tillstånden, då kan ljuset inte kontrolleras tillräckligt för en rad olika användningsområden; istället, ett system skulle bara kunna fungera som en på/av-knapp, låter ljus antingen passera genom materialet eller inte passera alls.

Dock, forskargruppen fann att genom att lägga till grundämnet selen till det ursprungliga materialet (kallat GST), materialets absorption av infrarött ljus i den kristallina fasen minskade dramatiskt - i huvudsak, ändra det från ett ogenomskinligt kolliknande material till ett mer transparent diamantliknande. Vad mer, den stora skillnaden i brytningsindex för de två tillstånden påverkar ljusets utbredning genom dem.

"Denna förändring i brytningsindex, utan att införa optisk förlust, möjliggör design av enheter som styr infrarött ljus utan behov av mekaniska delar, " säger Roberts.

Som ett exempel, föreställ dig en laserstråle som pekar i en riktning och måste ändras till en annan. I nuvarande system, en stor mekanisk kardan skulle fysiskt flytta en lins för att styra strålen till en annan position. En tunnfilmslins gjord av GSST skulle kunna ändra position genom att elektriskt programmera om fasförändringsmaterialen, möjliggör strålstyrning utan rörliga delar.

Teamet har redan testat materialet framgångsrikt i en rörlig lins. De har också visat dess användning i infraröd hyperspektral avbildning, som används för att analysera bilder för dolda föremål eller information, och i en snabb optisk slutare som kunde stängas på nanosekunder.

De potentiella användningsområdena för GSST är enorma, och ett slutmål för teamet är att designa omkonfigurerbara optiska chips, linser, och filter, som för närvarande måste byggas om från början varje gång en förändring krävs. När laget är redo att flytta materialet bortom forskningsfasen, det borde vara ganska enkelt att flytta över det till det kommersiella utrymmet. Eftersom det redan är kompatibelt med vanliga mikroelektroniska tillverkningsprocesser, GSST -komponenter kan tillverkas till en låg kostnad och i stort antal.

Nyligen, laboratoriet fick en kombinatorisk sputterkammare - en toppmodern maskin som gör det möjligt för forskare att skapa anpassade material av individuella element. Teamet kommer att använda denna kammare för att ytterligare optimera materialen för förbättrad tillförlitlighet och växlingshastigheter, såväl som för applikationer med låg effekt. De planerar också att experimentera med andra material som kan visa sig användbara för att kontrollera synligt ljus.

Nästa steg för teamet är att noggrant undersöka verkliga tillämpningar av GSST och förstå vad dessa system behöver när det gäller kraft, storlek, växlingshastighet, och optisk kontrast.

"Effekten [av denna forskning] är tvåfaldig, "Hu säger. "Fasförändringsmaterial erbjuder en dramatiskt förbättrad förändring av brytningsindex jämfört med andra fysiska effekter – inducerade av elektriska fält eller temperaturförändringar, till exempel – vilket möjliggör extremt kompakta omprogrammerbara optiska enheter och kretsar. Vår demonstration av bistat optisk transparens i dessa material är också betydelsefull eftersom vi nu kan skapa högpresterande infraröda komponenter med minimal optisk förlust." Det nya materialet, Hu fortsätter, förväntas öppna upp ett helt nytt designutrymme inom området för infraröd optik.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.