Naukowcy znaleźli sposób na „zapisanie” złożonych mikroskopijnych wzorów bezpośrednio wewnątrz kryształu przy użyciu jedynie zwykłego światła. Ten przełom, obejmujący specjalny półprzewodnik zwany trisiarczkiem arsenu (As₂S₃), może zrewolucjonizować proces produkcji elementów optycznych, odchodząc od drogiego, ciężkiego sprzętu na rzecz programowalnych materiałów sterowanych światłem.
Nauka „pisania” światłem
U podstaw tego odkrycia leży zjawisko zwane fotorefrakcyjnością. Mówiąc najprościej, gdy niektóre materiały są wystawione na działanie światła, zmienia się ich współczynnik załamania światła (miara tego, jak bardzo załamują lub spowalniają światło).
Chociaż wiele materiałów wykazuje ten efekt, trójsiarczek arsenu, badany przez Centrum Badań nad Powstającymi Technologiami XPANCEO i laureata Nagrody Nobla, profesora Konstantina Nowosełowa, jest wyjątkowy. Wykazuje wywołaną światłem zmianę współczynnika załamania światła, która jest znacznie wyższa niż w przypadku standardowych materiałów przemysłowych, takich jak tytanian baru (BaTiO₃).
Dlaczego to jest ważne:
W tradycyjnej produkcji tworzenie struktur w nanoskali wymaga „litografii wykończeniowej” – powolnego i niezwykle kosztownego procesu obejmującego złożone etapy chemiczne i mechaniczne. Nowa metoda umożliwia naukowcom wykorzystanie standardowych laserów o fali ciągłej (CW) do „wykucia” cech optycznych bezpośrednio w materiale, z pominięciem większości tradycyjnego sprzętu potrzebnego do zaawansowanej technologicznie produkcji.
Precyzja na poziomie nano
Precyzja osiągnięta dzięki temu kryształowi jest niesamowita. Aby udowodnić możliwości materiału, badacze za pomocą zwykłego lasera wygrawerowali mikroskopijny portret Alberta Einsteina na cienkim, łuskowatym fragmencie As₂S₃. Rozdzielczość była tak wysoka, że:
– Odległość między punktami wynosiła tylko 700 nanometrów.
– Podczas zaawansowanych testów rozdzielczość osiągnęła około 50 000 dpi (odległość pomiędzy punktami wynosi około 500 nanometrów).
Ze względu na radykalną zmianę współczynnika załamania światła wzory te pozostają wyraźnie widoczne i stabilne, działając jak trwałe „optyczne odciski palców”.
Więcej niż załamanie: ekspansja fizyczna
Materiał nie tylko załamuje światło, ale także fizycznie na nie reaguje. Pod wpływem światła As₂S₃ może rozszerzać się nawet o 5%. Ten efekt „fotoekspansji” pozwala naukowcom fizycznie kształtować powierzchnię kryształu w kształty takie jak:
– Mikrosoczewki
– Siatki optyczne
– Falewodniki
Ta podwójna zdolność do zmiany zarówno sposobu, w jaki światło przechodzi przez materiał, jak i kształtu samego materiału, stanowi przełom dla nowej generacji technologii noszenia.
Przyszłe zastosowania: od okularów AR po inteligentne obiektywy
Możliwość jednoczesnego manipulowania światłem i materią otwiera kilka dróg rozwoju technologii konsumenckich i przemysłowych:
- Augmented Reality (AR): Z materiału można stworzyć falowody o szerokim polu widzenia, które są niezbędne do tworzenia cieńszych i bardziej immersyjnych okularów AR.
- Inteligentne soczewki kontaktowe: Wysoka czułość kryształów van der Waalsa stanowi podstawę do integracji złożonych obwodów optycznych w małe, nadające się do noszenia formaty.
- Bezpieczeństwo i zapobieganie podrabianiu: Unikalne w skali nano „optyczne odciski palców” utworzone przez światło są praktycznie niemożliwe do odtworzenia, co czyni je idealnymi do wysoce bezpiecznego uwierzytelniania.
- Przetwarzanie nowej generacji: toruje drogę obwodom fotonicznym, w których informacje są przetwarzane przy użyciu światła, a nie energii elektrycznej, co potencjalnie prowadzi do znacznie szybszych i bardziej energooszczędnych urządzeń.
„Identyfikując naturalne kryształy o takim poziomie czułości, zasadniczo tworzymy podstawowe elementy składowe nowej generacji technologii, które opierają się wyłącznie na świetle, a nie na elektryczności”. — Valentin Volkov, dyrektor techniczny XPANCEO
Wniosek
Wykorzystując fotorefrakcyjne i rozszerzające właściwości trisiarczku arsenu, naukowcy są o krok bliżej przyszłości, w której urządzenia optyczne nie są tylko produkowane, ale także „programowane” światłem. Ta zmiana może sprawić, że precyzyjne technologie optyczne staną się bardziej dostępne, skalowalne i zintegrowane z naszym codziennym życiem dzięki zaawansowanym urządzeniom do noszenia.
