在聚合物準晶中捕捉到光——為雷射和傳感器的設計帶來新的可能

2020-12-04 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：光局域化在無缺陷的二十面體的準晶中存在已經在理論上給予了預測，卻沒有被實驗所證實。在這裡，報導了製造出亞微米的不導電的二十面體的準晶以及首次直接通過實驗證實並觀察到無缺陷的準晶中的內在的光局域化。這一結果是在可見光的波長範圍內在不同的雷射波長下於時間解析度的測量條件下獲得的。

ITMO大學的科學家們開展了一系列的實驗來研究聚合物準晶，最終證實了他們一開始的設想。在不久的將來，採用準晶也許可以為設計新的雷射器和傳感器開闢了一扇新的大門。這一文章發表在期刊《Advanced Optical Materials》上。

晶體是一種周期性排列的固體結構，即當原子發生位移的時候，他們會取代其他原子的位置，後者是前者的轉移。這一事實在科學上已經在20世紀的初期就被證實了。這一理論導致了現代固體物理的誕生和也同時幫助建立了半導體技術的發展。

ITMO大學的助理教授Mikhail Rybin

計算機，智慧型手機，LEd燈泡，雷射——幾乎所有我們不能想像的，如果我們今天的生活中沒有這些會咋樣，Mikhail Rybin說到，他是ITMO大學物理和工程學院的助理教授，這些物品的設計得益於我們理解了半導體材料的晶體結構的本質。周期結構的理論使得我們可以得出這樣的結論，要使物質產生光，電子或者聲音，只有兩種辦法。一種辦法就是波長在晶體中的向前傳播，或者它快速的在一種稱之為帶間隙的波長處消散。幾乎不存在其他的選擇和它非常容易的簡化了當實施工程任務的時候粒子傳統的規律。

然而，一些器件需要晶體不會傳輸波長和不會發生熄滅。但可以在一定時間內像光」陷阱「一樣保持它本身也是必須的。

例如，對於雷射或一些傳感器的運行來說，波長必須多次穿透器件工作區域以促使它同活性物質元素之間的相互作用有效性，Mikhail Rybin解釋說，這對創造這一「陷阱」來說是至關重要的，因為要保持在一個非常小的區域是非常困難的。這對現代物理來說是非常重要的技術上的挑戰。

可以說，越大越好！

比較理想的，整個材料將會在「陷阱」的角色發生，這是因為更多的光被捕獲，波長同活性介質之間的相互作用就會更加有效。然而，在是晶體的情形下，就幾乎不可能了。正如前面所討論的一樣，它只會消散波長或使其通過。

文章中所展示的光「陷阱」的示意圖

可以替代的，這裡存在一個可能，就是局部光在非有序的結構中，例如 ，在粉末中， Mikhail Rybin解釋到，然而我們並不能獲得可以重複的這一系統。在一個樣品中，粒子會以一定的方式排列，而在另外一些樣品中，就會完全不一樣。對於特定的任務，對同一器件的批量製造，你需要一些適合的事物。

這裡同時存在第三種辦法。我們可以使用材料的一種中間態，此時粒子並不形成周期性的晶格，正如在晶體中所發生的一樣，但在同時具有數學意義上的嚴格排序。這些結構稱之為準晶，他們是在1980年被發現的，並且從此以後開始被物理學家們開始進行研究。

由於在準晶中並不存在周期性，Mikhail Rybin說到，這樣就不存在限制波長要麼直接穿過而不損失或快速消散的問題。在2017年發表的一篇論文曾經預測了在準晶中光的局域化現象，而我們採用實驗證實了這一結果。

Artem Sinelnik 正在實驗室工作

在幾乎40多年的關於研究準晶的過程中，物理學家們理解了準晶的結構和學習使用計算機模擬技術來模擬它。可問題就在於這一準晶在微觀層面並不是比較容易合成的。

這就是當這一技術發展起來的時候來拯救我們，Artem Sinelnik說到，他是物理和工程系的一名博士生，在我們的研究部門內，有一套三維的納米級別的列印裝置，這一列印裝置的體素（列印設備的最小的列印體積單元）大約為一個微米的一半，這一數量級是人體頭髮絲的百分之一還要小。在這一設備的幫助下，我們列印製造出在三維空間具有複雜材料分布特徵的準晶結構。

Artem Sinelnik 在具有納米列印精度的實驗設備前

在列印製造出準晶之後，科學家們開始進行了他們的初步研究。他們採用電子顯微鏡分析了材料的表面質量。於是，他們進行光學測量來證實樣品的內部容積確實具有準晶的結構。

在這之後，我們進行了實驗，該項工作的合作者Artem Sinelnik解釋說，一個短的脈衝輸送給準晶，然後來測量一個稱之為 餘暉的量。正如所預期的一樣，光的確在於我們的樣品中存在延遲，即，波可以在內部保留一段較長的時間。於是，我們可以證實這一三維的聚合物準晶的確有能力來捕獲光。

Mikhail Rybin 和 Artem Sinelnik

直到今天，該工作可以說僅僅是非常基本的。它顯示了聚合物準晶的主要的光學性質，這一聚合物準晶是通過三維納米列印來製備的，具有局域化光的能力。然而，正如作者所注意到的一樣，這一研究在將來將會獲得應用。

例如，通常一個雷射器的設計是基於我們具有活性介質的事實的前提下，這一活性介質使得光通過足夠充分的巨大的外部振蕩器來實現局域化， Mikhail Rybin解釋到，在這一工作中，我們的研究結果展示了準晶可以結合活性介質的功能同振蕩器的功能結合在一個結構中的能力。

文章來源: 「Experimental Observation of Intrinsic Light Localization in Photonic Icosahedral Quasicrystals」 by Artem D. Sinelnik, Ivan I. Shishkin, Xiaochang Yu, Kirill B. Samusev, Pavel A. Belov, Mikhail F. Limonov, Pavel Ginzburg and Mikhail V. Rybin, 22 September 2020, Advanced Optical Materials. DOI: 10.1002/adom.202001170

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