Hãy tưởng tượng các cửa sổ có thể dễ dàng biến thành gương, hoặc máy tính tốc độ siêu cao không chạy bằng electron mà là ánh sáng. Đây chỉ là một số ứng dụng tiềm năng có thể xuất hiện từ kỹ thuật quang học, thực hành sử dụng tia laser để thay đổi nhanh chóng và tạm thời các đặc tính của vật liệu.
Biến đổi vật liệu bằng ánh sáng - Cho phép Windows biến đổi thành gương và máy tính tốc độ siêu cao
Giáo sư Vật lý David Hsieh của Caltech cho biết: “Những công cụ này có thể cho phép bạn biến đổi các đặc tính điện tử của vật liệu chỉ bằng một cái nhấp nháy của công tắc đèn. "Nhưng các công nghệ đã bị hạn chế bởi vấn đề của các tia laser tạo ra quá nhiều nhiệt trong vật liệu."
Trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Nature , Hsieh và nhóm của ông, bao gồm tác giả chính và nghiên cứu sinh Junyi Shan, đã báo cáo thành công trong việc sử dụng tia laser để điêu khắc đáng kể các đặc tính của vật liệu mà không tạo ra bất kỳ nhiệt lượng gây hại dư thừa nào.
Shan nói: “Các tia laser cần thiết cho những thí nghiệm này rất mạnh, vì vậy rất khó để không làm nóng và làm hỏng các vật liệu. “Một mặt, chúng tôi muốn vật liệu phải chịu ánh sáng laser rất mạnh. Mặt khác, chúng tôi không muốn vật liệu hấp thụ bất kỳ ánh sáng nào trong số đó ”.
Shan cho biết, nhóm đã tìm thấy một “điểm ngọt ngào” để giải quyết vấn đề này, ở đó tần số của tia laser được tinh chỉnh theo cách để thay đổi rõ rệt các đặc tính của vật liệu mà không truyền ra bất kỳ nhiệt lượng không mong muốn nào.
Junyi Shan. Tín dụng: Caltech
Các nhà khoa học cũng cho biết họ đã tìm thấy một vật liệu lý tưởng để chứng minh phương pháp này. Vật liệu, một chất bán dẫn được gọi là mangan phốt pho trisulphide, tự nhiên chỉ hấp thụ một lượng nhỏ ánh sáng trong một dải tần số hồng ngoại rộng. Đối với các thí nghiệm của mình, Hsieh, Shan và các đồng nghiệp đã sử dụng các xung laser hồng ngoại cường độ cao, mỗi xung kéo dài khoảng 10-13 giây, để thay đổi nhanh chóng năng lượng của các electron bên trong vật liệu. Kết quả là, vật liệu chuyển từ trạng thái có độ trong suốt cao sang trạng thái có độ trong suốt cao đối với một số màu sắc nhất định của ánh sáng.
Các nhà nghiên cứu cho biết, điều quan trọng hơn nữa là quá trình này có thể đảo ngược. Khi tia laser tắt, vật liệu ngay lập tức trở lại trạng thái ban đầu hoàn toàn không bị tổn thương. Điều này sẽ không thể xảy ra nếu vật liệu đã hấp thụ ánh sáng laze và nóng lên vì vật liệu sẽ mất nhiều thời gian để tản nhiệt. Thao tác không sử dụng nhiệt được sử dụng trong quy trình mới được gọi là “kỹ thuật quang học kết hợp”.
Phương pháp này hoạt động vì ánh sáng làm thay đổi sự khác biệt giữa các mức năng lượng của các electron trong chất bán dẫn (được gọi là khoảng trống vùng) mà không đá các electron vào các mức năng lượng khác nhau, tức là thứ tạo ra nhiệt.
David Hsieh. Tín dụng: Caltech
Hsieh giải thích: “Cứ như thể bạn có một chiếc thuyền, rồi một cơn sóng lớn ập đến và mạnh mẽ hất tung chiếc thuyền lên xuống mà không khiến bất kỳ hành khách nào bị ngã xuống. “Tia laser của chúng tôi đang làm rung chuyển mạnh mẽ các mức năng lượng của vật liệu, và điều đó làm thay đổi tính chất của vật liệu, nhưng các điện tử vẫn giữ nguyên vị trí.”
Các nhà nghiên cứu trước đây đã đưa ra giả thuyết về cách thức hoạt động của phương pháp này. Ví dụ, vào những năm 1960, Jon H. Shirley, cựu sinh viên Caltech (Tiến sĩ năm 63), đã đưa ra các ý tưởng toán học về cách giải các mức năng lượng electron trong vật liệu khi có ánh sáng. Dựa trên công trình này, nhóm Caltech của Hsieh đã hợp tác với các nhà lý thuyết Mengxing Ye và Leon Balents từ UC Santa Barbara để tính toán các hiệu ứng mong đợi của sự chiếu sáng bằng tia laser trong mangan phốt pho trisulphide. Hsieh cho biết lý thuyết phù hợp với các thí nghiệm với độ chính xác “đáng kinh ngạc” .
Hsieh nói, phát hiện này có nghĩa là các nhà nghiên cứu khác giờ đây có thể sử dụng ánh sáng để tạo ra các vật liệu một cách nhân tạo, chẳng hạn như nam châm lượng tử kỳ lạ, vốn rất khó hoặc thậm chí không thể tạo ra một cách tự nhiên.
Shan nói: “Về nguyên tắc, phương pháp này có thể thay đổi tính chất quang học, từ tính và nhiều đặc tính khác của vật liệu. “Đây là một cách thay thế của khoa học vật liệu. Thay vì tạo ra các vật liệu mới để hiện thực hóa các đặc tính khác nhau, chúng ta có thể chỉ lấy một vật liệu và cuối cùng cung cấp cho nó một loạt các đặc tính hữu ích ”.
Tham khảo: “Điều chế khổng lồ của phi tuyến quang học bằng kỹ thuật Floquet” của Jun-Yi Shan, M. Ye, H. Chu, Sungmin Lee, Je-Geun Park, L. Balents và D. Hsieh, 8 tháng 12 năm 2021, Nature .
Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội; Quỹ David và Lucile Packard; Quỹ Khoa học Quốc gia thông qua Viện Thông tin Lượng tử và Vật chất tại Caltech và thông qua UC Santa Barbara; Quỹ Gordon và Betty Moore; và Quỹ Nghiên cứu Quốc gia của Hàn Quốc. Các tác giả khác bao gồm Hao Chu (Tiến sĩ '17), cũng như Sungmin Lee và Je-Geun Park của Đại học Quốc gia Seoul.
0 nhận xét:
Đăng nhận xét