Nanokirigami har tagit fart som forskningsområde de senaste åren; tillvägagångssättet är baserat på den gamla konsten origami (att göra 3-D-former genom att vika papper) och kirigami (som tillåter såväl skärning som vikning) men appliceras på platta material i nanoskala, mätt i miljarddels meter.

Nu, forskare vid MIT och i Kina har för första gången tillämpat detta tillvägagångssätt för skapandet av nanodatorer för att manipulera ljus, potentiellt öppnar nya möjligheter för forskning och, i sista hand, skapandet av ny ljusbaserad kommunikation, upptäckt, eller beräkningsenheter.

Resultaten beskrivs idag i tidningen Vetenskapliga framsteg , i en uppsats av MIT -professor i maskinteknik Nicholas X Fang och fem andra. Med hjälp av metoder baserade på standardteknik för tillverkning av mikrochip, Fang och hans team använde en fokuserad jonstråle för att göra ett exakt mönster av slitsar i en metallfolie som bara var några tiotals nanometer tjocka. Processen får folien att böja och vrida sig till en komplex tredimensionell form som selektivt kan filtrera bort ljus med en särskild polarisering.

Tidigare försök att skapa funktionella kirigami -enheter har använt mer komplicerade tillverkningsmetoder som kräver en serie vikningssteg och har främst riktats mot mekaniska snarare än optiska funktioner, Säger Fang. De nya nanodelenheterna, däremot, kan bildas i ett enda vikningssteg och kan användas för att utföra ett antal olika optiska funktioner.

För dessa initiala proof-of-concept-enheter, laget producerade en nanomekanisk motsvarighet till specialiserade dikroiska filter som kan filtrera bort cirkulärt polariserat ljus som antingen är "högerhänt" eller "vänsterhänt". Att göra så, de skapade ett mönster bara några hundra nanometer tvärs över i den tunna metallfolien; resultatet liknar tapphjulsblad, med en vridning i en riktning som väljer motsvarande ljusvridning.

Foliens vridning och böjning sker på grund av spänningar som införs av samma jonstråle som skär genom metallen. Vid användning av jonstrålar med låga doser, många lediga platser skapas, och några av jonerna hamnar i metallens kristallgitter, skjuta gallret ur form och skapa starka påfrestningar som framkallar böjningen.

"Vi skär materialet med en jonstråle istället för sax, genom att skriva den fokuserade jonstrålen över denna metallplåt med ett föreskrivet mönster, "Fang säger." Så du hamnar med detta metallband som skrynklas upp "i det exakt planerade mönstret.

"Det är en mycket trevlig koppling mellan de två fälten, mekanik och optik, "Säger Fang. Teamet använde spiralformade mönster för att separera medurs och moturs polariserade delar av en ljusstråle, som kan representera "en helt ny riktning" för nanokirigamiforskning, han säger.

Tekniken är så enkel att, med ekvationerna som teamet utvecklat, forskare ska nu kunna beräkna bakåt från en önskad uppsättning optiska egenskaper och producera det mönster som behövs för slitsar och veck för att ge just den effekten, Säger Fang.

"Det tillåter en förutsägelse baserad på optiska funktioner" för att skapa mönster som uppnår önskat resultat, han lägger till. "Tidigare, människor försökte alltid skära av intuition "för att skapa kirigamimönster för ett visst önskat resultat.

Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede, Fang påpekar, så mer forskning kommer att behövas om möjliga tillämpningar. Men dessa enheter är storleksordningar mindre än konventionella motsvarigheter som utför samma optiska funktioner, så dessa framsteg kan leda till mer komplexa optiska chips för avkänning, beräkning, eller kommunikationssystem eller biomedicinska anordningar, säger laget.

Till exempel, Fang säger, enheter för att mäta glukosnivåer använder ofta mätningar av ljuspolaritet, eftersom glukosmolekyler finns i både höger- och vänsterhänta former som interagerar annorlunda med ljus. "När du passerar ljus genom lösningen, du kan se koncentrationen av en version av molekylen, i motsats till blandningen av båda, "Fang förklarar, och denna metod kan möjliggöra mycket mindre, effektivare detektorer.

Cirkulär polarisering är också en metod som används för att låta flera laserstrålar röra sig genom en fiberoptisk kabel utan att störa varandra. "Människor har letat efter ett sådant system för laseroptiska kommunikationssystem" för att separera strålarna i enheter som kallas optiska isolatorer, Säger Fang. "Vi har visat att det är möjligt att göra dem i nanometerstorlekar."

I teamet ingår också MIT -doktoranden Huifeng Du; Zhiguang Liu, Jiafang Li (projektledare), och Ling Lu vid Chinese Academy of Sciences i Peking; och Zhi-Yuan Li vid South China University of Technology. Arbetet stöddes av National Key R&D Program of China, Kinas National Natural Science Foundation, och US Air Force Office of Scientific Research.