Istraživači su po prvi put pokazali da određena klasa oksidnih membrana može da ograniči ili „stisnuti“ infracrveno svetlo – nalaz koji obećava tehnologiju infracrvenog snimanja sledeće generacije. Tankoslojne membrane ograničavaju infracrvenu svetlost daleko bolje od velikih kristala, koji su uspostavljena tehnologija za zadržavanje infracrvene svetlosti.
„Membrane tankog filma održavaju željenu infracrvenu frekvenciju, ali kompresuju talasne dužine, omogućavajući uređajima za snimanje slika sa većom rezolucijom“, kaže Jin Liu, kokorespondentni autor rada o radu i docent nauke o materijalima i inženjering na Državnom univerzitetu Severne Karoline.
„Pokazali smo da možemo da ograničimo infracrvenu svetlost na 10% njene talasne dužine dok održavamo njenu frekvenciju – što znači da je količina vremena koja je potrebna da talasna dužina kruži ista, ali je rastojanje između vrhova talasa Tehnike rasutih kristala ograničavaju infracrvenu svetlost na oko 97% njene talasne dužine.
„Ovo ponašanje je ranije bilo samo teoretizirano, ali smo ga po prvi put mogli eksperimentalno demonstrirati kroz način na koji smo pripremili tankoslojne membrane i našu novu upotrebu sinhrotronske spektroskopije bliskog polja“, kaže Ruijuan Ksu, ko-voditelj autor rada i docent nauke o materijalima i inženjerstva na NC State.
Za ovaj rad, istraživači su radili sa perovskitnim materijalima prelaznog metala. Konkretno, istraživači su koristili pulsno lasersko taloženje za uzgoj kristalne membrane od stroncijum titanata (SrTiO 3 ) debljine 100 nanometara u vakuumskoj komori. Kristalna struktura ovog tankog filma je visokog kvaliteta, što znači da ima vrlo malo nedostataka. Ovi tanki filmovi su zatim uklonjeni sa podloge na kojoj su uzgajani i postavljeni na površinu silicijum oksida silicijumske podloge.
Istraživači su zatim iskoristili tehnologiju u naprednom izvoru svetlosti u Nacionalnoj laboratoriji Lorens Berkli da bi izvršili sinhrotronsku spektroskopiju bliskog polja na tankom filmu stroncijum titanata dok je bio izložen infracrvenom svetlu. Ovo je omogućilo istraživačima da shvate interakciju materijala sa infracrvenom svetlošću na nanoskali.
Da bismo razumeli šta su istraživači naučili, moramo razgovarati o fononima, fotonima i polaritonima. Fononi i fotoni su oba načina na koje energija putuje kroz i između materijala. Fononi su u suštini talasi energije uzrokovani vibriranjem atoma. Fotoni su u suštini talasi elektromagnetne energije.
Možete zamisliti fonone kao jedinice zvučne energije, dok su fotoni jedinice svetlosne energije. Fononski polaritoni su kvazi čestice koje nastaju kada je infracrveni foton spojen sa „optičkim“ fononom — što znači fonon koji može da emituje ili apsorbuje svetlost.
„Teorijski radovi su predložili ideju da bi membrane perovskit oksida prelaznog metala omogućile fononskim polaritonima da ograniče infracrvenu svetlost“, kaže Liu. „A naš rad sada pokazuje da fononski polaritoni ograničavaju fotone, a takođe sprečavaju da se fotoni protežu izvan površine materijala.
„Ovaj rad uspostavlja novu klasu optičkih materijala za kontrolu svetlosti u infracrvenim talasnim dužinama, koja ima potencijalnu primenu u fotonici, senzorima i termičkom upravljanju“, kaže Liu. „Zamislite da ste u mogućnosti da dizajnirate kompjuterske čipove koji bi mogli da koriste ove materijale za oslobađanje toplote pretvarajući je u infracrveno svetlo.
„Rad je takođe uzbudljiv jer tehnika koju smo demonstrirali za stvaranje ovih materijala znači da se tanki filmovi mogu lako integrisati sa širokim spektrom podloga“, kaže Ksu. „To bi trebalo da olakša ugradnju materijala u mnoge različite vrste uređaja.“
Rad, „Visoko ograničeni epsilon-blizu nule- i površinski-fononski polaritoni u SrTiO 3 membranama,“ objavljen je u časopisu Nature Communications.
Više informacija: Ruijuan Ksu et al, Visoko ograničeni epsilon-blizu nule i površinski fononski polaritoni u SrTiO 3 membranama, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47917-k
Informacije o časopisu: Nature Communications
Obezbeđuje Državni univerzitet Severne Karoline
Istražite dalje
