Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Επιστήμονες ανακάλυψαν έναν στρωματικό κρύσταλλο, το οξυχλωριούχο μολυβδαίνιο (MoOCl2), με εξαιρετικές ιδιότητες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε δραματικά μικρότερες οπτικές τεχνολογίες.
- Ο MoOCl2 παρουσιάζει την ισχυρότερη επίδραση κάμψης του φωτός που έχει μετρηθεί ποτέ, συμπεριφερόμενος ταυτόχρονα ως μέταλλο και ως γυαλί ανάλογα με τον προσανατολισμό του.
- Το υλικό διαθέτει ένα σπάνιο σημείο «μηδενικής διηλεκτρικής σταθεράς» στο ορατό φως, ενισχύοντας τις αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης, κάτι που είναι κρίσιμο για τα ολοκληρωμένα φωτονικά τσιπ.
Η δημιουργία πραγματικά «αόρατης» φορετής τεχνολογίας, όπως οι έξυπνοι φακοί επαφής και τα εξαιρετικά λεπτά γυαλιά επαυξημένης πραγματικότητας, θα απαιτήσει μια ριζική αναθεώρηση του τρόπου κατασκευής των οπτικών συσκευών.
Αντί να βασίζονται σε συμβατικά, ογκώδη εξαρτήματα, οι ερευνητές αναζητούν υλικά που μπορούν να χειριστούν το φως σε ατομική κλίμακα.
Μια ομάδα από την XPANCEO, σε συνεργασία με επιστήμονες από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης και το Πανεπιστήμιο Χημείας και Τεχνολογίας της Πράγας, εντόπισε τώρα εξαιρετικές ιδιότητες σε έναν στρωματικό κρύσταλλο που ονομάζεται οξυχλωριούχο μολυβδαίνιο (MoOCl2).
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nano Letters, θα μπορούσαν να ανοίξουν τον δρόμο για δραματικά μικρότερες οπτικές τεχνολογίες.
Ένας κρύσταλλος που συμπεριφέρεται ταυτόχρονα ως μέταλλο και ως γυαλί
Οι ερευνητές δημιούργησαν τον πρώτο πλήρη πειραματικό χάρτη των οπτικών ιδιοτήτων του MoOCl2 και διαπίστωσαν ότι εμφανίζει την ισχυρότερη επίδραση κάμψης του φωτός που έχει μετρηθεί ποτέ σε φυσικό υλικό.
Αυτό που κάνει τον κρύσταλλο ιδιαίτερα ασυνήθιστο είναι ότι η συμπεριφορά του αλλάζει ανάλογα με τον προσανατολισμό του. Προς μία κατεύθυνση, αντανακλά το φως σαν μέταλλο. Αν τον περιστρέψετε κατά 90 μοίρες, γίνεται διαφανής σαν γυαλί.
Για τους προγραμματιστές και τους σχεδιαστές φορετών οθονών, αυτή η δυνατότητα είναι ιδιαίτερα ελκυστική. Υποδηλώνει ότι οι οπτικές λειτουργίες που σήμερα εκτελούνται από μεγαλύτερα εξαρτήματα, θα μπορούσαν κάποια μέρα να επιτευχθούν με τη χρήση υλικών χιλιάδες φορές πιο λεπτών από μια ανθρώπινη τρίχα.
Οι επιστήμονες περιγράφουν αυτή τη συμπεριφορά ως ακραία οπτική ανισοτροπία. Η απόκριση του κρυστάλλου στο φως ποικίλλει δραματικά ανάλογα με την κατεύθυνση. Με τιμή ενδοεπίπεδης διπλοθλαστικότητας περίπου 2,2, το MoOCl2 μπορεί να διαχωρίζει και να ανακατευθύνει το φως με εξαιρετική αποτελεσματικότητα.
Μια σπάνια ικανότητα να επιβραδύνει το φως
Η ομάδα ανακάλυψε επίσης ένα σπάνιο σημείο «μηδενικής διηλεκτρικής σταθεράς» (epsilon-near-zero) στα 512 nm (πράσινο φως). Σε αυτό το συγκεκριμένο μήκος κύματος, μέρος της οπτικής απόκρισης του υλικού πέφτει σχεδόν στο μηδέν. Ως αποτέλεσμα, το φως ουσιαστικά επιβραδύνεται μέσα στον κρύσταλλο, ενώ το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο γίνεται πολύ ισχυρότερο.
Αυτό το φαινόμενο μπορεί να ενισχύσει σημαντικά τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης, ένα πλεονέκτημα για τα ολοκληρωμένα φωτονικά τσιπ που επεξεργάζονται πληροφορίες χρησιμοποιώντας φως αντί για ηλεκτρισμό.
Οι ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις μπορούν να επιτρέψουν ταχύτερη επεξεργασία δεδομένων, καταναλώνοντας παράλληλα λιγότερη ενέργεια.
Γιατί οι φυσικοί ενδιαφέρονται για το MoOCl2
Οι ερευνητές μελετούν το MoOCl2 εδώ και αρκετά χρόνια λόγω της ασυνήθιστης ηλεκτρονικής του δομής. Το υλικό ταξινομείται ως «κακό μέταλλο» (bad metal) και περιέχει μονοδιάστατες αλυσίδες ατόμων μολυβδαινίου.
Αυτές οι αλυσίδες επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να κινούνται πιο εύκολα προς τη μία κατεύθυνση παρά προς την άλλη. Ως αποτέλεσμα, ο κρύσταλλος συμπεριφέρεται σαν μέταλλο κατά μήκος του ενός άξονα και σαν διηλεκτρικό υλικό κατά μήκος του κάθετου άξονα. Αυτός ο ασυνήθιστος συνδυασμός προσδίδει στο MoOCl2 την εξαιρετικά ισχυρή ανισοτροπία του.
Προηγούμενες μελέτες που δημοσιεύτηκαν στα περιοδικά Science και Nature Communications είχαν ήδη αποκαλύψει ότι ο κρύσταλλος θα μπορούσε να υποστηρίξει στενά περιορισμένα κύματα φωτός, τα οποία ονομάζονται υπερβολικά πλασμόνια-πολαριτόνια.
Αυτά τα πειράματα έδειξαν ότι το φως θα μπορούσε να ταξιδέψει μέσα από το υλικό με εξαιρετικά κατευθυντικούς και απροσδόκητους τρόπους. Ωστόσο, ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ εξακολουθούσε να λείπει.
Οι επιστήμονες μπορούσαν να παρατηρήσουν αυτά τα φαινόμενα, αλλά δεν είχαν μετρήσει άμεσα τις θεμελιώδεις οπτικές σταθερές που ευθύνονται για αυτά. Χωρίς αυτές τις μετρήσεις, ο σχεδιασμός πρακτικών συσκευών παρέμενε δύσκολος.
Η συμπεριφορά ENZ (μηδενικής διηλεκτρικής σταθεράς) στο ορατό φως ανοίγει νέες δυνατότητες
Η νέα μελέτη καλύπτει αυτό το κενό. Οι μετρήσεις επιβεβαίωσαν ότι κοντά στα 512 νανόμετρα, στο πράσινο τμήμα του ορατού φάσματος, ένα συστατικό της οπτικής απόκρισης του υλικού προσεγγίζει το μηδέν.
Αυτό το σημείο μηδενικής διηλεκτρικής σταθεράς (ENZ) στο ορατό φως επιτρέπει στην ηλεκτρομαγνητική ενέργεια να συγκεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό μέσα στον κρύσταλλο, αυξάνοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης.
Πολλά υλικά επιτυγχάνουν συνθήκες ENZ μόνο στις περιοχές του βαθέος υπεριώδους ή του μέσου υπέρυθρου. Το MoOCl2 είναι ασυνήθιστο επειδή το επιτυγχάνει στο ορατό φάσμα, όπου ήδη λειτουργούν πολλά υπάρχοντα λέιζερ, μικροσκόπια, κάμερες και τεχνολογίες αισθητήρων.
«Η παρατήρηση ενός φαινομένου είναι το πρώτο βήμα, αλλά η μηχανική απαιτεί ακριβείς αριθμούς», δήλωσε ο Δρ. Valentyn Volkov, ιδρυτής και CTO της XPANCEO και αντίστοιχος συγγραφέας (corresponding author) της μελέτης.
«Μετρώντας αυστηρά τον πλήρη διηλεκτρικό τανυστή του MoOCl2, η εργασία μας παρέχει την πειραματική βάση που απαιτείται για να κατανοήσουμε γιατί αυτό το υλικό συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο και να σχεδιάσουμε γύρω από αυτό με μεγαλύτερη σιγουριά.
Αυτό το καθιστά ένα πολύτιμο επιστημονικό αποτέλεσμα για τον κλάδο, με πιθανή εφαρμογή σε συμπαγή πολωτικά οπτικά συστήματα, μη γραμμικές συσκευές και, μακροπρόθεσμα, σε εξαιρετικά μικροσκοπικά ολοκληρωμένα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των έξυπνων φακών επαφής».
Σμίκρυνση του οπτικού υλικού (hardware) σε τσιπ
Ο λεπτομερής οπτικός χάρτης αναδεικνύει επίσης πώς το MoOCl2 θα μπορούσε να βοηθήσει στη μείωση του μεγέθους των μελλοντικών οπτικών συστημάτων. Λόγω της ακραίας δομικής του ανισοτροπίας, ο κρύσταλλος λειτουργεί φυσικά ως υπερβολικό μέσο.
Σε πρακτικούς όρους, αυτό επιτρέπει στο φως να ταξιδεύει μέσα από το υλικό ως εξαιρετικά κατευθυντικές ακτίνες νανοκλίμακας χωρίς να περιθλάται (ή να διασκορπίζεται), ένα απαραίτητο χαρακτηριστικό για την κατασκευή μικρότερων οπτικών κυκλωμάτων.
Η ικανότητά του να λειτουργεί στο ορατό φάσμα αυξάνει περαιτέρω την ελκυστικότητά του για τα ολοκληρωμένα φωτονικά τσιπ, όπου το φως πρέπει να καθοδηγείται, να φιλτράρεται και να συγκεντρώνεται σε εξαιρετικά μικρούς χώρους.
Οι ερευνητές επισημαίνουν διάφορες πιθανές εφαρμογές. Αυτές περιλαμβάνουν εξαιρετικά λεπτούς πολωτές ευρέος φάσματος που ελέγχουν την κατεύθυνση του φωτός σε συμπαγείς οπτικές συσκευές, καθώς και κυματοδηγούς υπο-περιθλαστικής κλίμακας (sub-diffractional) ικανούς να κατευθύνουν το φως μέσα από χώρους μικρότερους από αυτούς που επιτρέπουν τα συμβατικά οπτικά συστήματα.
Το υλικό θα μπορούσε επίσης να προωθήσει τη μη γραμμική νανοφωτονική, έναν τομέα που χρησιμοποιεί έντονες αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης για τη δημιουργία νέων χρωμάτων φωτός και την αποτελεσματικότερη επεξεργασία οπτικών σημάτων.
Τα ευρήματα παρέχουν μια νέα βάση για τον σχεδιασμό εξαιρετικά συμπαγών οπτικών τεχνολογιών και φέρνουν τις φουτουριστικές συσκευές, όπως οι έξυπνοι φακοί επαφής και οι οθόνες AR επόμενης γενιάς, ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.