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3原子の厚さの調光

偏光は、特定の方法で光を制御できるため、便利です。 たとえば、サングラスのレンズはグレアをブロックします(車の窓などの表面で反射すると、光が偏光することがよくあります)。 デスクトップの電卓画面は、領域内の光を偏光および遮断することにより、鮮明な数値を作成します。 偏光が遮断されている領域は暗く表示され、光が遮断されていない領域は表示されます。

偏光の特性を利用して、数字やその他の数字として読み取ることができる明るい領域と暗い領域を作成するビュー計算機。

クレジット:David R. Tribble / Wikimedia Commons

この論文では、Atwaterらは、3層のリン原子を使用して、調整可能で、正確で、非常に薄い光偏光材料を作成した方法について説明しています。

この材料は、いわゆる黒色リンでできており、多くの点でグラファイトまたはグラフェンに似ており、1原子の厚さの層で構成される炭素を形成します。 しかし、グラフェンの層は完全に平らですが、黒いリンの層は、コーデュロイパンツや段ボールの生地のようにリブが付いています。 (リンも赤、白、紫の色合いで提供され、その中の原子の配置が特徴的です。)

アトウォーター氏によると、異方性の光学特性を備えた黒色のリンを生成するのはこの結晶構造です。 「異方性とは、角度に依存することを意味します」と彼は説明します。 「グラフェンのような材料では、偏光の角度に関係なく、光は等しく吸収および反射されます。光の偏光が波形と整列している場合、応答が大きく異なるという意味で、黒色の蛍光体は大きく異なります。波形に垂直な場合よりも。」

偏光が黒いリンの波形を通して向けられるとき、それは波形に沿って向けられるときとは異なる方法で材料と相互作用します—手をこするときよりも、コーデュロイのリブに沿って手をこするほうが簡単な方法のようです。それらを越えて。

ややしわの寄ったコーデュロイ生地の画像。

黒いリンシートは、そのようなテクスチャーと同様にリブが付いています。

クレジット:アリエル・グレン/ウィキメディア・コモンズ

ただし、多くの材料は光を偏光させることができ、この能力だけでは特に有用ではありません。 アトウォーター氏によると、黒リンを特別なものにしているのは、それが半導体でもあり、ガラスのように絶縁体よりも電気を通すが、銅ほど金属ではない材料であるということです。 チップ中のシリコンは半導体の一例です。 シリコンで作られた微細構造がマイクロチップ内の電気の流れを制御できるのと同じように、黒色のリンで作られた構造は、電気信号が印加されたときの光の偏光を制御できます。

「これらの小さな構造は偏光をシフトするので、ナノメートルスケールで非常に薄く調整可能なものを作ることができます」とAtwater氏は言います。「これらの小さな要素の配列を作成できます。それぞれが偏光を異なる反射に変換できます。分極状態。」

電話スクリーンやテレビに見られる液晶ディスプレイ(LCD)テクノロジーには、すでにこれらの機能のいくつかがありますが、黒リンテクノロジーははるかに先を行く可能性があります。 黒のリンマトリックスの「ピクセル」は、LCDモニターの「ピクセル」の最大20分の1になりますが、入力への応答は100万倍速くなります。

アトウォーター氏によると、このような速度は、映画を見たり、オンラインで記事を読んだりするのに必要ではありませんが、コミュニケーションに革命を起こすことができます。 電気通信機器で光信号が送信される光ファイバーケーブルは、互いに干渉して混乱し始め、それらを妨害し始める前に、多くの信号を送信することしかできません(混雑した騒々しい中で友人が言っていることを聞こうとしている写真)テープ)。 しかし、黒色リンの薄層に基づく通信デバイスは、各信号の偏光を調整して、それらのいずれも互いに干渉しないようにすることができます。 これにより、光ファイバーケーブルは現在よりもはるかに多くのデータを伝送できるようになります。

Atwater氏によると、この技術はWi-Fiの光学的代替手段への扉を開く可能性もあり、この分野の研究者はLi-Fiと呼んでいます。

「ますます、私たちは自由空間での光波通信を検討するでしょう」と彼は言います。 「私の机の上のこの非常にクールなランプのような照明は、通信信号を伝送しません。それは単に光を提供します。しかし、将来スターバックスに座ってラップトップに光信号を受信させるべきではない理由はありません。無線信号の代わりにワイヤレス接続を使用します。まだここにはありませんが、ここに到着すると、Wi-Fiよりも少なくとも100倍高速になります。」

作品を説明する論文は、原子の薄い黒色リン光物質を使用した広帯域電気光学偏光変換。 筆頭著者は応用物理学の大学院生であるSovikBiswasであり、他の共著者はMeir Y.Japanです。

「これらは、フォトニックデバイスの未来を形作る可能性のある新しい材料を発見するためのエキサイティングな時期です。私たちは表面をほとんど傷つけていません」とビスワス氏は言います。 「このような非常に薄い素材で作られた商品をいつか購入できれば幸いです。その日はそれほど遠くないかもしれません。」

この研究は、米国エネルギー省によって資金提供されました。 文部科学省; 日本科学振興協会; と日本科学技術研究庁。

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