Устройства Нанокиригами могут помочь манипулировать светом для различных применений

В последнее время нанокиригами начали проявляться как область исследований; технология основана на древних искусствах оригами, которая включает в себя создание трехмерных (трехмерных) форм сгибающейся бумагой и киригами, что позволяет разрезать, а также складывать, но использовать на плоских наноразмерных материалах, измеряя миллиардные доли метра.

Слева от разных образцов срезов через тонкую металлическую фольгу сделаны сфокусированные ионные пучки. Эти шаблоны заставляют металл складываться в заранее определенные формы, которые могут использоваться для таких целей, как изменение луча света. (Image credit: Courtesy of the research)

В настоящее время ученые из Массачусетского технологического института и Китая используют эту технологию для разработки наноустройств, которые могут манипулировать светом, перспективно открывать инновационные возможности для исследований и, в конечном счете, разрабатывать инновационные светотехнические вычислительные устройства, обнаружение или связь.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances от 6 июля 2018 года в статье, опубликованной профессором машиностроения Николая X Фанга и пять его коллег. Fang и его команда использовали методы, основанные на стандартной технологии изготовления микрочипов, чтобы применить сфокусированный ионный луч для формирования точной картины щели в металлической фольге толщиной всего в несколько десятков нанометров. Эта процедура делает изгиб фольги и скручивается сама по себе в сложную трехмерную форму с возможностью выборочного фильтрования света с определенной поляризацией.

Согласно Фангу, в более ранних усилиях по разработке функциональных устройств киригами были использованы сложные методы изготовления, которые предусматривают последовательность шагов сгибания и в основном направлены на механические и не оптические функции. Новые наноустройства, напротив, могут быть сформированы на одном этапе сгибания и могут использоваться для выполнения ряда различных оптических функций.

Для этих первоначальных концептуальных устройств исследователи разработали наномеханический эквивалент специализированных дихроичных фильтров с возможностью отфильтровывать циркулярно поляризованный свет, который является «правым» или «левым». Для достижения это, они сформировали образец с размером всего нескольких сотен нанометров в тонкой металлической фольге; результат выглядит как лопасти с ручкой, с завихрением в одном направлении, которое выбирает соответствующий поворот света.

Пленки извилины и изгибы из-за напряжений, вызванных тем же ионным пучком, который срезается через металл. Когда используются ионные пучки с малыми дозами, образуются несколько вакансий, и некоторые ионы попадают в кристаллическую решетку металла, вытесняя решетку из формы и вызывая сильные напряжения, вызывающие изгиб.

« Мы срезаем материал ионным лучом вместо ножниц, записывая сфокусированный ионный пучок через этот металлический лист с заданным рисунком », – заявил Фанг. « Итак, вы закончите с этой металлической лентой, которая сморщивается » в точно спланированной схеме.

Это очень хорошая связь двух полей, механики и оптики.

Николас X Фанг, профессор машиностроения Массачусетского технологического института.

Фанг сказал, что для разделения по часовой стрелке и против часовой стрелки поляризованных участков светового луча, которые могут изображать «новое направление» для исследований нанокиригами, они использовали спиральные узоры.

. Методология достаточно прямолинейна, чтобы с помощью уравнений, разработанных исследователями, ученые теперь должны были бы рассчитывать назад от желаемого набора оптических свойств и генерировать требуемую картину щели и складки и производить именно этот эффект, записанный Fang.

« Это позволяет предсказать на основе оптических функций « сформировать закономерности, которые достигают желаемого результата », – добавил он. « Раньше люди всегда пытались обрезать интуицию », чтобы сформировать рисунки киригами для конкретного желаемого результата.

Фанг уточнил, что исследование находится только на ранней стадии; следовательно, потребуются дополнительные исследования для вероятных применений. Однако эти устройства на несколько порядков меньше по сравнению с традиционными эквивалентами, которые выполняют одни и те же оптические функции; исследователи заявили, что эти разработки могут привести к созданию очень сложных оптических микросхем для вычислительных, измерительных или коммуникационных систем или биомедицинских устройств.

Например, Фанг заявил, что устройства, используемые для измерения уровня глюкозы, в общем, используют измерения полярности света, поскольку молекулы глюкозы встречаются в правых и левых формах, которые характерны для света. « Когда вы пропускаете свет через раствор, вы можете видеть концентрацию одной версии молекулы, в отличие от смеси обоих », – объяснил Фанг, и этот метод может позволить развитие значительно меньшего и высокоэффективные детекторы.

Круговая поляризация также является методом, позволяющим пропускать несколько лазерных лучей через волоконно-оптический кабель, не мешая друг другу. « Люди искали такую ​​систему для лазерных оптических систем связи », чтобы изолировать лучи в устройствах, известных как оптические изоляторы, – сказал Фанг. « Мы показали, что их можно сделать в нанометровых размерах ».

В состав команды также входил аспирант Массачусетского технологического института Хуифэн Ду; Жигуан Лю, Цзяфан Ли (руководитель проекта) и Линг Лу из Китайской академии наук в Пекине; и Чжи-Юань Ли из Южно-Китайского технологического университета. Национальная исследовательская программа Китая, Национальный фонд естественных наук Китая и Управление научных исследований ВВС США поддержали исследование.

Source link