Scanning Electron Microscopy (SEM) bild av nanoskala gitter. Kredit:California Institute of Technology
Ett nyskapat nanoarkitektat material uppvisar en egenskap som tidigare bara var teoretiskt möjlig:det kan bryta ljus bakåt, oavsett i vilken vinkel ljuset träffar materialet.
Den här egenskapen är känd som negativ brytning och det betyder att brytningsindexet – den hastighet som ljus kan färdas genom ett givet material – är negativt över en del av det elektromagnetiska spektrumet i alla vinklar.
Brytning är en gemensam egenskap i material; tänk på hur ett sugrör i ett glas vatten ser förskjutet åt sidan eller hur linser i glasögon fokuserar ljuset. Men negativ brytning innebär inte bara att ljuset flyttas några grader åt ena sidan. Snarare sänds ljuset i en vinkel helt motsatt den där det kom in i materialet. Detta har inte observerats i naturen, men från och med 1960-talet ansågs det förekomma i så kallade artificiellt periodiska material - det vill säga material konstruerade för att ha ett specifikt strukturmönster. Först nu har tillverkningsprocesser kommit ikapp teorin för att göra negativ brytning till verklighet.
"Negativ brytning är avgörande för framtiden för nanofotonik, som försöker förstå och manipulera ljusets beteende när det interagerar med material eller solida strukturer i minsta möjliga skala", säger Julia R. Greer, Caltechs Ruben F. och Donna Mettler professor. of Materials Science, Mechanics and Medical Engineering, och en av seniorförfattarna till en artikel som beskriver det nya materialet. Tidningen publicerades i Nano Letters den 21 oktober.
Det nya materialet uppnår sina ovanliga egenskaper genom en kombination av organisation i nano- och mikroskala och tillägg av en beläggning av en tunn metall germaniumfilm genom en tids- och arbetskrävande process. Greer är en pionjär inom skapandet av sådana nanoarkitekter, eller material vars struktur är designad och organiserad i nanometerskala och som följaktligen uppvisar ovanliga, ofta överraskande egenskaper – till exempel exceptionellt lätt keramik som återgår till sin ursprungliga form, som en svamp efter att ha komprimerats.
Under ett elektronmikroskop liknar det nya materialets struktur ett gitter av ihåliga kuber. Varje kub är så liten att bredden på strålarna som utgör kubens struktur är 100 gånger mindre än bredden på ett människohår. Gallret konstruerades med ett polymermaterial, som är relativt lätt att arbeta med i 3D-utskrift, och sedan belagts med metallen germanium.
"Kombinationen av strukturen och beläggningen ger gallret denna ovanliga egenskap", säger Ryan Ng (MS '16, Ph.D. '20), motsvarande författare till Nano Letters-tidningen. Ng genomförde denna forskning medan han doktorerade i Greers labb och är nu postdoktor vid Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology i Spanien. Forskargruppen nollställde kub-gitterstrukturen och materialet som den rätta kombinationen genom en noggrann datormodelleringsprocess (och vetskapen om att geranium är ett högindexmaterial).
För att få polymeren jämnt belagd i den skalan med en metall krävdes att forskargruppen utvecklade en helt ny metod. Till slut använde Ng, Greer och deras kollegor en sputterteknik där en skiva av germanium bombarderades med högenergijoner som sprängde germaniumatomer bort från skivan och på ytan av polymergittret. "Det är inte lätt att få en jämn beläggning", säger Ng. "Det tog lång tid och mycket ansträngning att optimera den här processen."
Tekniken har potentiella tillämpningar för telekommunikation, medicinsk bildbehandling, radarkamouflering och datoranvändning.
I observation 1965 förutspådde Caltech-alumnen Gordon Moore (Ph.D. '54), en livstidsmedlem i Caltech Board of Trustees, att integrerade kretsar skulle bli dubbelt så komplicerade och hälften så dyra vartannat år. Men på grund av de grundläggande gränserna för effektförlust och transistortäthet som tillåts av nuvarande kiselhalvledare, bör skalningen som förutspås av Moores lag snart upphöra. "Vi närmar oss slutet av vår förmåga att följa Moores lag; att göra elektroniska transistorer så små som de kan," säger Ng. Det nuvarande arbetet är ett steg mot att demonstrera optiska egenskaper som skulle krävas för att möjliggöra 3D-fotoniska kretsar. Eftersom ljus rör sig mycket snabbare än elektroner, skulle 3D-fotoniska kretsar i teorin vara mycket snabbare än traditionella.
Nanobokstäverna Uppsatsen har titeln "Dispersion Mapping in 3-Dimensional Core–Shell Photonic Crystal Lattices Capable of Negative Refraction in the Mid-Infrared." + Utforska vidare
