Atomer i kristallgittret av tantaldisulfid ordnar sig i sexuddiga stjärnor som kan manipuleras av ljus, enligt Rice University forskare. Fenomenet kan användas för att styra materialets brytningsindex. Det kan vara användbart för 3D-skärmar, virtuell verklighet och i lidar-system för självkörande fordon. Kredit:Weijian Li/Rice University
Mikroskopiska kristaller i tantaldisulfid har en huvudroll i vad som kan bli en hit för 3D-skärmar, virtuell verklighet och till och med självkörande fordon.
En tvådimensionell matris av materialet har unika optiska egenskaper som kan kontrolleras i omgivningsförhållanden och under allmän belysning, enligt ingenjör Gururaj Naik och doktorand Weijian Li från Rice's Brown School of Engineering.
När de drar en tvådimensionell flisa från ett bulkprov (med det beprövade verktyget, tejp) och lysa ljus på den, det skiktade materialet omordnar laddningstäthetsvågorna för elektroner som flödar igenom, ändra dess brytningsindex.
Ljus som sänds ut längs den påverkade axeln ändrar färg beroende på styrkan på ljuset som går in.
Upptäckten beskrivs i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .
"Vi behöver ett optiskt material som kan ändra brytningsindex för applikationer som virtuell verklighet, 3D-skärmar, optiska datorer och lidar, som är nödvändigt för autonoma fordon, sa Naik, en biträdande professor i el- och datateknik. "På samma gång, det måste vara snabbt. Först då kan vi aktivera dessa nya tekniker."
Rice Universitys doktorand Weijian Li förbereder sig på att testa tantaldisulfidkristaller. Materialet har unika optiska egenskaper som kan kontrolleras i omgivningsförhållanden och under allmän belysning. Kredit:Jeff Fitlow
Tantaldisulfid, en halvledande, skiktad blandning med ett prismatiskt metallcentrum, verkar passa räkningen. Materialet är redan känt för att hysa vågor av laddningstäthet vid rumstemperatur som tillåter justeringar av dess elektriska ledningsförmåga, men styrkan på ljusinsläpp ändrar också dess brytningsindex, som kvantifierar den hastighet med vilken ljuset färdas igenom. Det gör det ställbart, sa Naik.
När den utsätts för ljus, tantalskiktet omorganiseras till ett gitter av 12-atoms stjärnor, som Davidsstjärnan eller sheriffens märken, som underlättar laddningstäthetsvågor. Hur dessa stjärnor staplas avgör om föreningen är isolerande eller metallisk längs sin c-axel.
Det visar sig att det också bestämmer dess brytningsindex. Ljus triggar stjärnorna att anpassa sig, att ändra laddningstätheten tillräckligt för att påverka materialets optiska konstanter.
"Detta tillhör en klass av vad vi kallar starkt korrelerade material, vilket betyder att elektronerna interagerar starkt med varandra, " sa Li. "I det här fallet, vi kan förutsäga egenskaperna som visar ett starkt svar på någon extern stimulans."
Att stimulansen är lika mild som omgivande vitt ljus är ett plus, Naik tillade. "Detta är det första materialet vi har sett där ljusets interaktion inte bara sker med enskilda partiklar, men med en samling partiklar tillsammans, vid rumstemperatur, " sa han. Fenomenet verkar fungera i tantaldisulfid så tunn som 10 nanometer och så tjock som en millimeter, han sa.
"Vi tror att detta är en viktig upptäckt för dem som studerar starkt korrelerade material för tillämpningar, " Naik sa. "Vi visar att ljus är en mycket kraftfull ratt för att ändra hur korrelationen sträcker sig i detta material."
