Onderzoekers demonstreren een nieuwe manier om infrarood licht te ‘knijpen’

Onderzoekers hebben voor het eerst aangetoond dat een specifieke klasse oxidemembranen infrarood licht kan beperken of ‘knijpen’ – een bevinding die veelbelovend is voor de volgende generatie infraroodbeeldvormingstechnologieën. De dunnefilmmembranen houden infrarood licht veel beter vast dan bulkkristallen, de gevestigde technologie voor het opsluiten van infrarood licht.

“De dunnefilmmembranen behouden de gewenste infraroodfrequentie, maar comprimeren de golflengten, waardoor beeldapparatuur beelden met een grotere resolutie kan vastleggen”, zegt Yin Liu, co-corresponderend auteur van een artikel over het werk en assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de North Carolina State University.

‘We hebben aangetoond dat we infrarood licht kunnen beperken tot 10% van de golflengte, terwijl de frequentie behouden blijft. Dat betekent dat de tijd die een golflengte nodig heeft om te wisselen hetzelfde is, maar dat de afstand tussen de pieken van de golf gelijk is. veel dichter bij elkaar. Bulkkristaltechnieken beperken infrarood licht tot ongeveer 97% van de golflengte.”

“Dit gedrag was voorheen alleen theoretisch, maar we konden het voor het eerst experimenteel demonstreren, zowel door de manier waarop we de dunne-filmmembranen voorbereidden als door ons nieuwe gebruik van synchrotron-nabijveldspectroscopie”, zegt Ruijuan Xu, co-leider auteur van het artikel en assistent-professor materiaalkunde en techniek bij NC State.

Voor dit werk werkten de onderzoekers met perovskietmaterialen van overgangsmetalen. Concreet gebruikten de onderzoekers gepulseerde laserafzetting om een ​​100 nanometer dik kristallijn membraan van strontiumtitanaat (SrTiO) te laten groeien.₃) in een vacuümkamer. De kristallijne structuur van deze dunne film is van hoge kwaliteit, wat betekent dat deze zeer weinig defecten vertoont. Deze dunne films werden vervolgens verwijderd van het substraat waarop ze waren gegroeid en op het siliciumoxideoppervlak van een siliciumsubstraat geplaatst.

De onderzoekers maakten vervolgens gebruik van de technologie van de Advanced Light Source van het Lawrence Berkeley National Laboratory om synchrotron-near-field-spectroscopie uit te voeren op de dunne film van strontiumtitanaat terwijl deze werd blootgesteld aan infrarood licht. Hierdoor konden de onderzoekers de interactie van het materiaal met infrarood licht op nanoschaal vastleggen.

Om te begrijpen wat de onderzoekers hebben geleerd, moeten we het hebben over fononen, fotonen en polaritonen. Fononen en fotonen zijn beide manieren waarop energie door en tussen materialen reist. Fononen zijn in wezen de energiegolven die worden veroorzaakt door de manier waarop atomen trillen. Fotonen zijn in wezen de golven van elektromagnetische energie.

Je kunt fononen zien als eenheden van geluidsenergie, terwijl fotonen eenheden van lichtenergie zijn. Fononpolaritonen zijn quasideeltjes die ontstaan ​​wanneer een infraroodfoton wordt gekoppeld aan een ‘optisch’ fonon, wat betekent dat een fonon licht kan uitzenden of absorberen.

“Theoretische artikelen stelden het idee voor dat perovskietoxide-membranen van overgangsmetalen fononpolaritonen in staat zouden stellen infrarood licht te beperken”, zegt Liu. “En ons werk laat nu zien dat de fononpolaritonen de fotonen opsluiten en er ook voor zorgen dat de fotonen zich niet buiten het oppervlak van het materiaal uitstrekken.

“Dit werk creëert een nieuwe klasse optische materialen voor het controleren van licht in infrarode golflengten, die potentiële toepassingen heeft in fotonica, sensoren en thermisch beheer”, zegt Liu. “Stel je voor dat je computerchips kunt ontwerpen die deze materialen kunnen gebruiken om warmte af te geven door deze om te zetten in infrarood licht.”

“Het werk is ook spannend omdat de techniek die we hebben gedemonstreerd voor het maken van deze materialen betekent dat de dunne films eenvoudig kunnen worden geïntegreerd met een grote verscheidenheid aan substraten”, zegt Xu. “Dat zou het gemakkelijk moeten maken om de materialen in veel verschillende soorten apparaten te verwerken.”

De krant, “Sterk beperkte Epsilon-Near-Zero- en Surface-Phonon-polaritons in SrTiO₃ Membranen”, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.