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該大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代光學(xué)設(shè)備需要不斷調(diào)整其光交互設(shè)置。為此，存在各種機(jī)械裝置，可移動(dòng)透鏡，旋轉(zhuǎn)反射器并移動(dòng)發(fā)射器。
這是一個(gè)由圣彼得堡國立信息技術(shù)機(jī)械與光學(xué)大學(xué)和埃克塞特大學(xué)的工作人員組成的國際研究小組已經(jīng)提出了一種新的超材料，該材料能夠在沒有任何機(jī)械輸入的情況下改變其光學(xué)特性。
這種發(fā)展可能會導(dǎo)致復(fù)雜光學(xué)設(shè)備可靠性的顯著提高，同時(shí)使它們的制造成本更低。這項(xiàng)研究刊登在Optica雜志2020年5月號的封面上。
在過去的幾十年里，物理學(xué)和材料科學(xué)的飛速發(fā)展為人類帶來了廣泛的材料選擇。現(xiàn)在，那些設(shè)計(jì)復(fù)雜設(shè)備的人已經(jīng)不受傳統(tǒng)材料（例如金屬，木材，玻璃或礦物）的局限性的束縛。在這方面，在ITMO大學(xué)等地研究的所謂超材料為人們提供了令人難以置信的機(jī)會。
由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它們相對獨(dú)立于其組件的屬性。這樣的結(jié)構(gòu)可以是體積的或平坦的-在后一種情況下，它們被稱為超表面。
ITMO物理與工程系的高級研究員Ivan Sinev說：“超表面可以使我們在光的操縱中獲得許多有趣的效果。”“但是這些超表面存在一個(gè)問題：在我們設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的那一刻就決定了它們?nèi)绾闻c光相互作用。在創(chuàng)建用于實(shí)際用途的設(shè)備時(shí)，我們希望不僅能夠在一開始就控制這些屬性，而且在使用過程中也能如此。”
在尋找用于自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備的材料時(shí)，來自ITMO大學(xué)的研究人員在處理硅超表面方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)，他們與來自英國埃克塞特大學(xué)的同事攜手合作，在這些材料中，例如，通常用于DVD中的碲化鍺銻（GeSbTe）化合物。
物理與工程學(xué)系的博士生Pavel Trofimov說：“我們已經(jīng)進(jìn)行了計(jì)算，以查看這種新型復(fù)合材料的外觀。“我們包含嵌入在兩層硅之間的薄層中的GeSbTe。這是一種夾層結(jié)構(gòu)：先在空白基板上涂硅，然后放一層相變材料，然后再涂一些硅。”
然后，使用電子束光刻方法，科學(xué)家將層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為超表面：一系列顯微圓盤，然后在實(shí)驗(yàn)室測試了其操縱光的能力。正如研究人員所期望的那樣，將兩種材料組合成復(fù)雜的周期性結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生重要影響：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，可以改變所得表面的透明度。原因是近紅外區(qū)域中的硅片具有兩個(gè)光學(xué)共振，從而使其能夠強(qiáng)烈反射定向到其表面的IR光束。 GeSbTe層可以“關(guān)閉”兩個(gè)共振之一，從而使磁盤對近紅外區(qū)域的光幾乎透明。
相變材料具有兩種狀態(tài)：其中分子以有序結(jié)構(gòu)定位的結(jié)晶狀態(tài)和非晶態(tài)。如果位于超材料中心的GeSbTe層處于結(jié)晶狀態(tài)，則第二個(gè)共振將消失；反之，則不會。如果它處于非晶態(tài)，則磁盤將繼續(xù)反射IR光束。
“為了在兩個(gè)超表面狀態(tài)之間切換，我們使用了足夠強(qiáng)大的脈沖激光，” Pavel Trofimov解釋說。“通過將激光聚焦在磁盤上，我們可以相對快速地執(zhí)行切換。短時(shí)間的激光脈沖將GeSbTe層加熱到接近熔點(diǎn)的溫度，然后它迅速冷卻并變成非晶態(tài)。一連串的短脈沖，它冷卻得更慢，沉淀成結(jié)晶態(tài)。”
這種新的超表面的特性可以用于各種應(yīng)用。這先包括創(chuàng)建激光雷達(dá)-一種通過發(fā)射紅外脈沖并接收反射光束來掃描空間的設(shè)備。它們的創(chuàng)建原理也可以作為特殊超薄攝影鏡頭（例如用于手機(jī)相機(jī)的攝影鏡頭）的生產(chǎn)基礎(chǔ)。