کریستال های مایع رنگ شده، کنترل اجزای نوری را فقط با نور امکان پذیر می کنند

توسط مرکز تعالی ARC برای سیستم‌های متا نوری تبدیل‌شونده

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک تکنیک جدید برای کنترل اجزای نوری با نور می‌تواند به ایجاد نسلی از فناوری پردازش سیگنال با کارایی بالا کمک کند که می‌تواند کاربردهای آینده‌نگر مانند ویدیوی هولوگرافیک را هدایت کند.

فیزیکدانان مرکز تعالی ARC برای سیستم‌های متااپتیکی تبدیل‌شونده (TMOS) در ANU روشی را برای ساختن دستگاه‌های استاتیکی با نور قابل تنظیم پویا ابداع کرده‌اند که یک قابلیت مهم برای فناوری انعطاف‌پذیر و قدرتمند مبتنی بر نور معروف به فوتونیک است.

دکتر یانا ایزدبسکایا، رهبر پروژه گفت: آنها این کار را با جاسازی یک متاسطح، که به طور معمول ایستا است، در کریستال های مایع مخلوط شده با یک رنگ واکنش دهنده به نور انجام دادند.

ایزدبسکایا که در دپارتمان فیزیک بنیادی و نظری کار می کند و عضو TMOS است، می گوید: «ما می توانیم پاسخ نوری فراسطح را به صورت نوری تغییر دهیم – بدون هیچ گونه الکترود، اجزای مغناطیسی یا عناصر گرمایشی، فقط با استفاده از نور. این کاملا برگشت پذیر است، که تا کنون یک چالش بوده است.»

تراشه‌های رایانه‌ای مبتنی بر فوتونیک، پردازش سیگنال سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر را با نویز کمتر نسبت به تراشه‌های الکترونیکی نوید می‌دهند. با این حال، آنها فاقد برخی از عملکردهای پردازش سیگنال هستند. این تکنیک جدید می‌تواند برخی از این قابلیت‌های گمشده، مانند سوئیچینگ نوری و شکل‌دهی پرتو دینامیکی را فراهم کند.

متاسرفیس ها می توانند اثرات نوری ایجاد کنند که مواد طبیعی نمی توانند. آنها از آرایه های سطحی اشکال نانوسکوپی کوچکتر از طول موج نور ساخته شده اند. اثرات آنها به تفاوت در ضریب شکست بین خود متاسطح (در این مورد، یک ماده دی الکتریک به نام سیلیکون آمورف هیدروژنه) و محیط اطراف مانند هوا بستگی دارد.

ضریب شکست هوا به راحتی تغییر نمی کند. اما اگر متاسطح توسط یک کریستال مایع که ضریب شکست آن قابل تغییر باشد پوشانده شود، می توان رفتار آن را به صورت دینامیکی کنترل کرد.

تیم TMOS قبلا در استفاده از میدان های مغناطیسی برای کنترل سطحی پر از کریستال های مایع پیشگام بود. اما هدف نهایی آنها دور شدن از روش های الکترومغناطیسی و توسعه کنترل نوری بود.

بازدید از دکتر آندری ایلجین از دانشگاه مونستر، آلمان، قطعه گم شده این پازل را فراهم کرد. ایلجین، متخصص رنگ، با این تیم همکاری کرد تا رنگ متیل رد را به یک کریستال مایع اضافه کند.

متیل رد یک مولکول رنگ بزرگ است که بسته به پلاریزاسیون نور، می تواند بین اشکال مستقیم و خمیده در هنگام روشن شدن توسط نور سبز (طول موج 532 نانومتر) جابجا شود.

تغییر در شکل مولکول‌های متیل قرمز، جهت کریستال‌های مایع را تغییر می‌دهد - مولکول‌های بلند و لاغر که به عنوان کریستال‌های مایع نماتیک شناخته می‌شوند - و پاسخ قطبش آنها را در طول موج عملیاتی فراسطح در مادون قرمز تغییر می‌دهد.

این تیم یک متاسطح ایستا ساخته شده از نانوسیلندرهای سیلیکونی بیضوی را انتخاب کردند که برای ایجاد رزونانس از طریق اثری به نام حالت های محدود در پیوستار (BIC) طراحی شده بود. متاسطح از تشدید در دو قطبی الکتریکی و مغناطیسی پشتیبانی می کند. برای کنترل آن، تیم از کریستال های مایع دوپ شده با رنگ متیل رد 1٪ استفاده کردند.

با این کنترل، محققان می توانند قدرت نسبی دو رزونانس دو قطبی در مادون قرمز را با تغییر قطبش نور سبز تغییر دهند.

آنها همچنین می‌توانند با شدت‌تر کردن نور سبز، قدرت پاسخ را افزایش دهند. هنگامی که نور خاموش شد، پاسخ در کمتر از یک ثانیه به حالت اولیه خود بازگشت - یک پیشرفت قابل توجه نسبت به کریستال های مایع قبلی، که برای تنظیم مجدد جهت آنها نیاز به گرم شدن داشتند، فرآیندی بسیار کندتر.

ایزدبسکایا گفت: "ما در آزمایش های اولیه از این واکنش سریع خوشحال بودیم، اما فکر می کنم اگر غلظت را بهینه کنیم یا رنگ های دیگر را امتحان کنیم، می توانیم این کنترل را بیشتر بهبود ببخشیم."

ایزدبسکایا و همکارانش در تیم به رهبری پروفسور ایلیا شادریووف در حال کار بر روی بهبود زمان پاسخ و ساختن نسخه های کوچک و به اندازه پیکسل از این فراسطح های کنترل شده هستند.

"این مهم است زیرا این رویکرد می تواند برای بسیاری از دستگاه های مختلف مفید باشد - متالنزها، سیستم های تصویربرداری و هولوگرافی."

ایزدبسکایا گفت: «در آینده این قطعات بسیار کوچک در مقیاس نانو می‌توانند جایگزین دستگاه‌های حجیمی مانند لنزها در گوشی‌های هوشمند و دوربین‌ها شوند.

Yana V. Izdebskaya و همکاران، تنظیم تمام نوری فراسطحهای دی الکتریک نفوذ یافته با کریستالهای مایع دوپ شده با رنگ، مقیاس نانو (2026). DOI: 10.1039/d6nr00501b

ارائه شده توسط مرکز تعالی ARC برای سیستم های متا اپتیکال تبدیل شونده

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →