Теперь вы это видите, а теперь нет: в книгах и фильмах волшебники используют магические заклинания, чтобы легко менять вещи из твердого состояния в прозрачное. Однако в действительности материалы со свойствами, называемыми фазовым переходом, могут выполнять аналогичный трюк, изменяя цвет от прозрачного до мутного в зависимости от температуры или приложенного электрического поля. Недавно мультиинституциональная международная группа исследователей с участием физиков из Йенского университета Фридриха Шиллера (Германия) разработала способ спроектировать точку перехода для диоксида ванадия в материале с фазовым переходом, который должен происходить при определенных температурах. Исследование, опубликованное сегодня в Nano Letters, может привести к новым типам настраиваемых материалов для оптики и терморегулирования.
«По сути, любой оптический компонент был бы лучше, если бы его можно было настраивать», – говорит Михаил Кац, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники из Университета Висонсин-Мэдисон (США) и старший автор статьи.
Вместо того, чтобы полагаться на механические компоненты для фокусировки объекта, такого как объектив камеры или окуляр телескопа, настраиваемый материал меняет свои врожденные оптические свойства по требованию. Ученым более 50 лет известно, что такие вещества, как диоксид ванадия, могут переходить от непрозрачного к прозрачному. Однако эти материалы обычно переключаются только при одном конкретном наборе условий, что ограничивает их применимость. «В большинстве материалов с фазовым переходом изменение происходит в условиях, далеких от комнатной температуры, и поэтому их трудно включить в полезные устройства», – говорит Катс.
Исследователи не только изменили точку внутреннего сдвига диоксида ванадия с 68 градусов по Цельсию до температуры ниже комнатной, они также успешно настроили переход для этого материала на любую температуру. «Это открытие откроет новые горизонты в фотонных устройствах», – говорит Шрирам Раманатан, профессор материаловедения в Университете Пердью в Вест-Лафайет, Индиана (США), который также внес свой вклад в исследование.
Возможно использование в «умных» стенах
Поскольку оптические и физические свойства возникают из одних и тех же основных физических принципов, теплопроводность и электрическая проводимость диоксида ванадия также смещаются при переходе.
Эти типы материалов могут использоваться, например, в домах в качестве «умных» стен или окон, которые реагируют на окружающую среду. «Объекты, предназначенные для эффективного излучения света при высоких температурах, но не при низких температурах, могут использоваться в качестве чисто пассивных регуляторов температуры, не требующих внешних схем или источников питания», – говорит Катс.
Ранее исследователи, пытающиеся изменить температуры перехода диоксида ванадия, всегда вносили примеси по мере их создания. Однако этот метод равномерно изменяет всю поверхность материала – поэтому вместо этого немецко-американская группа исследователей бомбардировала определенные области диоксида ванадия энергичными ионами. Ионное облучение создает дефекты в материалах, что обычно является непреднамеренным побочным эффектом.
Однако сотрудник Карстен Роннинг из Университета Фридриха Шиллера в Йене, Германия, объясняет, что успехи исследователей теперь основаны на этих недостатках. «Прелесть нашего подхода в том, что мы используем« нежелательные »дефекты», – говорит он. Направление ионного пучка на определенные участки поверхности позволило исследователям внести в материал наноразмерные модификации. «Мы можем точно контролировать температуру перехода повсюду на образце с точностью примерно 20 нанометров», – заявляет Роннинг. «Мы смогли использовать этот метод для создания высокоэффективных областей метаповерхности, которые имеют несколько фазовых переходов одновременно.«Этот метод позволил исследователям разработать и создать новый оптический поляризатор, который изменяет селективность в зависимости от температуры.
Ученые со всего мира внесли свой вклад в это исследование.
Соавторы рукописи, Юра Ренсберг из Университета Фридриха Шиллера в Йене и Шуян Чжан из Гарвардского университета, получают докторскую степень в лабораториях профессора Карстена Роннинга и профессора Федерико Капассо соответственно.