Een recent gerealiseerde ferro -elektrische topologie in nanomembranen maakt lichte veldmanipulatie mogelijk

Ferro-elektriciteit is een klasse van materialen die zogenaamde spontane elektrische polarisatie vertonen, wat de scheiding is van elektrische ladingen die kunnen worden omgekeerd wanneer een extern elektrisch veld op hen wordt toegepast. De dipoolmomenten (dwz paren van gelijke en tegengestelde ladingen) in deze materialen kunnen soms worden gerangschikt in complexe configuraties die bekend staan ​​als topologische texturen.

De topologische structuren van sommige ferro -elektrische materialen kunnen op interessante en onverwachte manieren interageren met licht, wat interessante implicaties zou kunnen hebben voor de ontwikkeling van optische technologieën en communicatiesystemen. De grootte van ferro -elektrische polaire topologieën die tot op heden zijn onthuld en bestudeerd, is echter niet afgestemd op die van laserlichtmodi, die hun eerdere gebruik voor de ontwikkeling van optische technologieën beperkten.

Onderzoekers van de Nanjing University realiseerden onlangs een centrale-convergente ferro-elektrische topologie op micrometerschaal met behulp van bariumtitanaat (Batio₃) Membranen die de precieze ruimtelijke regeling van lichtvelden mogelijk maken.

Deze topologie, uiteengezet in Een paper gepubliceerd in Natuurnanotechnologiezou nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de manipulatie van lichtvelden die gebruikmaken van de topologie van ferro-elektrica op basis van oxide.

“Dit werk begon met een onverwachte ontdekking tijdens de studie van ons team naar ferro -elektrische polarisatietexturen in vrijstaande oxidemembranen, zoals Topologische polaire nanodomeinen op silicium, gericht op opslag met hoge dichtheid“Prof. Yuefeng Nie, co-senior auteur van de krant, vertelde Phys.org.

“Dr. Haoying Sun, de eerste auteur van dit artikel, identificeerde polaire topologische structuren op micrometerschaal in Batio₃ membranen. Door gedetailleerde analyse en geoptimaliseerd ontwerp hebben we een gecontroleerde fabricage van deze microschaalstructuren bereikt. “

Prof. Nie, Dr. Sun en hun collega’s vermoedden dat de structuren op microschaal die ze in Batio identificeerden₃ Membranen kunnen de interacties van het lichte materie beïnvloeden. Om de potentiële toepassing van deze structuren voor Light Field Engineering te verkennen, begonnen ze samen te werken met Prof. Yong Zhang, die een expert is in optische fysica.

“Toen Prof. Nie voor het eerst de experimentele gegevens van zijn team aan mij presenteerde, was ik vooral geïntrigeerd door de implicaties ervan”, aldus prof. Zhang, co-senior auteur van de paper. “Onze onderzoeksgroep is al lang toegewijd aan het verkennen van de generatie en manipulatie van vortex -lichtvelden. Deze ruimtelijk gedistribueerde polaire topologische structuur bood een ideaal materiaalplatform voor dergelijke fotonische engineering.”

Als onderdeel van hun onderzoek hebben de onderzoekers aangetoond dat de koepelvormige configuraties die ze hebben onthuld, kunnen dienen als een voorbijgaande tussenliggende toestand terwijl de polarisatie van ferro-elektrische stoffen enginie is. Om de middenconvergerende koepelvormige topologie te realiseren, fabriceerden ze eerst dunne en vlakke bilayer batio₃ Films met verschillende stamstaten.

“Bij het vrijgeven van het substraat drijft de spanningsontspanning in de vrijstaande dubbellaagse film een ​​spontane 2D (vlakke)-3D (dome-vormige) structurele transformatie aan,” legde Dr. Sun, co-eerste auteur van het papier. “Tijdens dit proces veroorzaakt het radiale flexo-elektrische veld-gegenereerde via anisotrope roostervervorming-symmetrie-brekende polarisatie-ordening, uiteindelijk stabiliseren van niet-triviale 2D-polaire texturen door geometrische opsluiting.”

De fabricagestrategie van Prof. Nie, Dr. Sun, Prof. Zhang en hun collega’s kunnen worden gebruikt om polarisatietoestanden te creëren die ontoegankelijk zijn met behulp van conventionele op vlakke epitaxie gebaseerde benaderingen. Deze staten worden geproduceerd met behulp van het samenspel tussen de stam en de topologie van ferro-elektrica op basis van oxide.

“Onze innovaties manifesteren zich in twee cruciale aspecten,” zei Nie. “Ten eerste hebben we een nieuwe route ontwikkeld voor polaire topologische structuurtechniek. In tegenstelling tot traditionele benaderingen die vlakke dunne films manipuleren door epitaxiale stam, dikte of doping, introduceren we een innovatieve techniek die gebruik maakt van tussenliggende driedimensionale vervorming om nieuwe polarisatie-topologische structuren te construeren.”

Een tweede prestatie van deze recente studie is dat de topologische structuren op micro-schaal die door de onderzoekers zijn geïdentificeerd, ook zijn ontworpen om overeen te komen met de golflengte en de grootte van lasers. In hun experimenten gebruikte het team met succes center-convergente topologieën om het orbitale hoekmomentum van het lichtveld te moduleren.

“Het Vortex-lichtveld draagt ​​een orbitale hoekmomentum, waardoor informatie met hoge capaciteit in optische opslag- en communicatiesystemen mogelijk is”, aldus prof. Zhang. “De realisatie van Vortex Light Field-manipulatie in dit nieuwe materiaalsysteem biedt nieuwe benaderingen voor integratie van on-chip en foto-elektrische conversie.”

Het recente artikel van dit team van onderzoekers zou binnenkort de weg kunnen effenen voor de ontdekking van andere ferro -elektrische topologieën die kunnen worden benut voor de manipulatie van licht, waardoor mogelijk nieuwe wegen openen voor de vooruitgang van optische en fotonische technologieën. In hun volgende studies zullen prof. Nie en zijn collega’s proberen de modulatiesnelheid en efficiëntie van optische velden te verbeteren die dezelfde topologische structuren gebruiken, omdat dit de praktische toepassingen van hun werk verder zou kunnen verbreden.

“In onze volgende studies zullen we deze innovatieve materiaalvoorbereidingsmethode ook toepassen op meer systemen om een ​​bredere verscheidenheid aan polarisatieconfiguraties te bereiken en de manipulatie van elektrische, magnetische en optische eigenschappen te verkennen,” voegde Prof. Nie toe.