Новый материал может позволить исследователям управлять потоком и излучением света по-новому, отрываясь от сильно угловатых и ограниченных путей для света, продиктованных внутри упорядоченных фотонных кристаллов. Вместо этого, по словам Мэн и ее коллег, материал может привести к появлению волнистых, изогнутых и резко изогнутых способов управления светом произвольной формы.
Результаты были опубликованы в сентябре. 16 выпуск Известий Национальной Академии Наук.
Несмотря на то, что приложения еще далеко, новые материалы могут быть использованы для более эффективных солнечных панелей и дисплеев с подсветкой. Световоды произвольной формы в материалах могут быть особенно полезны при разработке компактных оптических схем для обработки сигналов и телекоммуникаций.
Материалы с фотонной запрещенной зоной помогают управлять фотонами – светом – так же, как полупроводники управляют потоком электронов в современной электронике.
Они достигают этого, блокируя «свет определенной энергии или частоты, чтобы он не мог распространяться или существовать в материале», – сказал Ман, доцент кафедры физики и астрономии.
Материалы с фотонной запрещенной зоной в природе встречаются редко, хотя их можно увидеть на радужных крыльях некоторых бабочек или на опалах, где свету определенных длин волн заблокирован вход под всеми углами.
Давно считалось, что фотонная запрещенная зона в конструкционных материалах должна зависеть от отражения в слоях кристаллических структур, таких как кристаллы кремния, сказал Мэн. Но совсем недавно ее сотрудники из Университета Суррея, Принстонского университета и Нью-Йоркского университета с помощью численного моделирования предсказали возможность существования фотонной запрещенной зоны в неупорядоченных структурах.
Упорядоченный периодический узор, такой как плитка на полу в ванной комнате, может быть построен только с определенными формами, такими как шестиугольники, треугольники или квадраты. По этой причине материалы с периодической упорядоченной фотонной запрещенной зоной ограничены передачей света только по особым путям вдоль определенных кристаллических направлений.
Материал, сделанный Мэн и ее коллегами, неупорядочен и поэтому не ограничен особым вращательной симметрией, как плитка для ванной комнаты. Это означает, что они могут быть изотропными или выглядеть одинаково во всех направлениях. Эта комбинация функций, по ее словам, «обеспечивает платформу произвольной формы, так что мы можем выбирать любой вид изгиба или изогнутых проходов для направления потока света."
Поскольку материал идентичен во всех направлениях, он имеет одинаковые фотонные свойства во всех направлениях.
Это качество может оказаться полезным в будущих приложениях, которые должны собирать или излучать свет одинаковым образом, например, в солнечной панели или дисплее.
«С научной точки зрения потрясающе доказать, что неупорядоченная структура может иметь фотонную запрещенную зону для всех поляризаций во всех направлениях», – добавил Ман.
Исследователи начали с «точечного рисунка» для создания неупорядоченных материалов. Затем проект был преобразован в компьютерный файл для трехмерной печати базовой конструкции с точными отверстиями и пазами, которые направляли сборку стержней и листов из оксида алюминия. Питер Вердоне, сотрудник Департамента физики и астрономии, внес свой вклад в файлы для трехмерной печати.
Модульная конструкция – немного похожая на кирпичи бренда Lego – позволяла удалять или добавлять отдельные части для создания новых произвольных форм волноводов.
Пять студентов SF State и Man выполнили всю экспериментальную работу в этом проекте, в соавторстве с сотрудниками Man. Материал выполнен в сантиметровом масштабе – достаточно большой, чтобы его можно было держать в руке, – и был протестирован с помощью микроволн, которые имеют более длинную волну, чем видимый свет.
После успешной демонстрации микроволн Ман сказал, что просто уменьшить масштаб материала, чтобы направить более короткие длины волн видимого и инфракрасного света.
Двое аспирантов Ман, Сэм Цитрин и Гив Нахал, работают над дизайном и производством этих материалов в масштабе 500 нанометров при поддержке гранта Национального научного фонда.