In de jaren vijftig, het gebied van elektronica begon te veranderen toen de transistor vacuümbuizen in computers verving. De wijziging, waarbij grote en trage componenten werden vervangen door kleine en snelle, was een katalysator voor de aanhoudende trend van miniaturisatie in computerontwerp. Een dergelijke revolutie heeft nog niet plaatsgevonden op het gebied van infraroodoptiek, die afhankelijk blijft van omvangrijke bewegende delen die het bouwen van kleine systemen in de weg staan.

Echter, een team van onderzoekers van het MIT Lincoln Laboratory, samen met professor Juejun Hu en afgestudeerde studenten van MIT's Department of Materials Science and Engineering, is een manier aan het bedenken om infrarood licht te beheersen door gebruik te maken van faseveranderende materialen in plaats van bewegende delen. Deze materialen hebben het vermogen om hun optische eigenschappen te veranderen wanneer er energie aan wordt toegevoegd.

"Er zijn meerdere manieren waarop dit materiaal nieuwe fotonische apparaten mogelijk kan maken die het leven van mensen beïnvloeden, " zegt Hu. "Bijvoorbeeld, het kan nuttig zijn voor energiezuinige optische schakelaars, die de netwerksnelheid kan verbeteren en het stroomverbruik van internetdatacenters kan verminderen. Het kan herconfigureerbare meta-optische apparaten inschakelen, zoals compacte, platte infrarood zoomlenzen zonder mechanische bewegende delen. Het kan ook leiden tot nieuwe computersystemen, waardoor machine learning sneller en energiezuiniger kan worden vergeleken met de huidige oplossingen."

Een fundamentele eigenschap van materialen met faseverandering is dat ze kunnen veranderen hoe snel het licht er doorheen gaat (de brekingsindex). "Er zijn al manieren om licht te moduleren met behulp van een verandering van de brekingsindex, maar faseovergangsmaterialen kunnen bijna 1 veranderen, 000 keer beter, " zegt Jeffrey Chou, een teamlid voorheen in de Advanced Materials and Microsystems Group van het laboratorium.

Het team heeft met succes infraroodlicht in meerdere systemen gecontroleerd door gebruik te maken van een nieuwe klasse faseovergangsmateriaal dat de elementen germanium, antimoon, selenium, en telluur, gezamenlijk bekend als GSST. Dit werk wordt besproken in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De magie van een faseovergangsmateriaal komt voor in de chemische bindingen die de atomen met elkaar verbinden. In een fase staat, het materiaal is kristallijn, met zijn atomen gerangschikt in een georganiseerd patroon. Deze status kan worden gewijzigd door een korte, hoge temperatuur piek van thermische energie naar het materiaal, waardoor de bindingen in het kristal afbreken en vervolgens hervormen in een meer willekeurige, of amorf, patroon. Om het materiaal terug te brengen naar de kristallijne toestand, een lange en middelhoge temperatuurpuls van thermische energie wordt toegepast.

"Deze verandering van de chemische bindingen zorgt ervoor dat verschillende optische eigenschappen naar voren komen, vergelijkbaar met de verschillen tussen steenkool (amorf) en diamant (kristallijn), " zegt Christopher Roberts, een ander Lincoln Laboratory-lid van het onderzoeksteam. "Hoewel beide materialen meestal koolstof zijn, ze hebben enorm verschillende optische eigenschappen."

Momenteel, faseovergangsmaterialen worden gebruikt voor industriële toepassingen, zoals Blu-ray-technologie en herschrijfbare dvd's, omdat hun eigenschappen nuttig zijn voor het opslaan en wissen van een grote hoeveelheid informatie. Maar tot nu toe, niemand heeft ze gebruikt in infraroodoptiek omdat ze in de ene staat transparant zijn en in de andere ondoorzichtig. (Denk aan de diamant, waar licht doorheen kan, en kolen, die licht niet kan doordringen.) Als licht niet door een van de toestanden kan gaan, dan kan dat licht niet adequaat worden gecontroleerd voor een reeks van toepassingen; in plaats daarvan, een systeem zou alleen kunnen werken als een aan/uit-schakelaar, licht door het materiaal laten gaan of helemaal niet doorlaten.

Echter, het onderzoeksteam ontdekte dat door het element selenium toe te voegen aan het oorspronkelijke materiaal (genaamd GST), de absorptie van infrarood licht door het materiaal in de kristallijne fase nam dramatisch af - in wezen, het veranderen van een ondoorzichtig steenkoolachtig materiaal in een transparanter diamantachtig materiaal. Bovendien, het grote verschil in de brekingsindex van de twee toestanden beïnvloedt de voortplanting van licht erdoorheen.

"Deze verandering in brekingsindex, zonder optisch verlies te introduceren, maakt het ontwerp mogelijk van apparaten die infrarood licht regelen zonder dat mechanische onderdelen nodig zijn, ' zegt Roberts.

Als voorbeeld, stel je een laserstraal voor die in de ene richting wijst en in een andere moet worden veranderd. In de huidige systemen een grote mechanische cardanische ophanging zou fysiek een lens verplaatsen om de straal naar een andere positie te sturen. Een dunnefilmlens gemaakt van GSST zou van positie kunnen veranderen door de faseovergangsmaterialen elektrisch te herprogrammeren. waardoor straalbesturing zonder bewegende delen mogelijk is.

Het team heeft het materiaal al met succes getest in een bewegende lens. Ze hebben ook het gebruik ervan aangetoond in infrarood hyperspectrale beeldvorming, die wordt gebruikt om afbeeldingen te analyseren op verborgen objecten of informatie, en in een snelle optische sluiter die in nanoseconden kon sluiten.

De potentiële toepassingen voor GSST zijn enorm, en een uiteindelijk doel voor het team is om herconfigureerbare optische chips te ontwerpen, lenzen, en filters, die momenteel opnieuw moet worden opgebouwd telkens wanneer een wijziging nodig is. Zodra het team klaar is om het materiaal voorbij de onderzoeksfase te brengen, het moet vrij eenvoudig zijn om het over te zetten naar de commerciële ruimte. Omdat het al compatibel is met standaard micro-elektronische fabricageprocessen, GSST-componenten kunnen tegen lage kosten en in grote aantallen worden gemaakt.

Onlangs, het laboratorium kreeg een combinatorische sputterkamer - een ultramoderne machine waarmee onderzoekers aangepaste materialen kunnen maken van individuele elementen. Het team zal deze kamer gebruiken om de materialen verder te optimaliseren voor verbeterde betrouwbaarheid en schakelsnelheden, evenals voor toepassingen met een laag vermogen. Ze zijn ook van plan te experimenteren met andere materialen die nuttig kunnen zijn bij het beheersen van zichtbaar licht.

De volgende stappen voor het team zijn om de echte toepassingen van GSST van dichtbij te bekijken en te begrijpen wat die systemen nodig hebben op het gebied van vermogen, maat, schakelsnelheid, en optisch contrast.

"De impact [van dit onderzoek] is tweeledig, Hu zegt. "Materialen met faseverandering bieden een dramatisch verbeterde verandering van de brekingsindex in vergelijking met andere fysieke effecten - veroorzaakt door een elektrisch veld of temperatuurverandering, bijvoorbeeld, waardoor uiterst compacte herprogrammeerbare optische apparaten en circuits mogelijk worden. Onze demonstratie van bistate optische transparantie in deze materialen is ook belangrijk omdat we nu hoogwaardige infraroodcomponenten kunnen maken met minimaal optisch verlies." Het nieuwe materiaal, Hu gaat verder, zal naar verwachting een geheel nieuwe ontwerpruimte openen op het gebied van infraroodoptiek.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.