以创纪录的方式弯曲光线
发布时间：2023-09-28 09:46:35 阅读数： 26
a,b)根据单晶 XRD（SC-XRD）解析的 Sr9/8TiS3 (R3c) 调制晶格示意图，沿[001]轴（a）和[100]轴（b）观察。c,d) Sr9/8TiS3 晶体沿[001]轴（c）和沿[100]轴（d）的原子分辨率 HAADF-STEM 图像。 e) Sr9/8TiS3 沿[100]轴的高倍率 HAADF-STEM 图像（左）和模拟图像（右）。模拟图像上叠加了一列原子的示意图。在这些 HAADF 图像中可以观察到三个明亮原子柱的重复模式，其中 Ti 原子和 Sr 原子沿观察方向重叠。原子模型中的方括号突出显示了这些三重原子柱。 f) 实验和模拟 STEM 图像（（e）中的白色方框）上的线剖面图，比较单个原子柱上的强度变化。资料来源：Advanced Materials (2023)。DOI: 10.1002/adma.202303588
由威斯康星大学麦迪逊分校、南加州大学和华盛顿大学圣路易斯分校的科学家和工程师领导的一个研究小组创造了一种独特的、创纪录的材料，它能将一束红外线向两个方向弯曲。
五年来，该团队第二次创造出了地球上 "双折射 "程度最高的晶体。这一次，他们打破了自己的纪录，这种性能更高的新晶体可能会在夜视、激光雷达、化学传感、显微镜和许多其他应用领域带来创新。
这项研究成果发表在《先进材料》杂志上。华大麦迪逊分校的两位带头人分别是电气与计算机工程系博士生梅红艳和2022届博士毕业生贾德-萨尔曼，他们都来自电气与计算机工程系副教授米哈伊尔-卡茨的研究小组。
当光线从一种物质传播到另一种物质时--例如，从空气进入水，或从水进入玻璃--它会以可预测的速度减慢，从而导致光线弯曲。这种弯曲称为折射。
当光线进入一种各向异性的材料时，就会发生双重折射--这种材料的特性随方向不同而不同--并分成两条光线，每条光线的方向都不同。想象一下，一束棒材组合在一起，在其长度方向上有一种折射率，也就是弯曲能力的测量值，而在垂直方向上则有另一种折射率。这两种折射率之间的差异被称为双折射。
尽管研究小组之前有过创纪录的双折射经验，但卡茨和他的研究小组惊讶地发现，这种名为硫化钛锶（Sr9/8TiS3 或 STS）的新材料的双折射是他们之前的纪录保持者硫化钛钡（BaTiS3 或 BTS）的三倍，而后者本应具有类似的结构。
但究竟为什么会出现这种情况，却是一个谜。在对南加州大学的博士生、共同第一作者赵博洋及其同事培育的硫化钛锶进行原子级检查后，研究小组发现它比预期多了几个锶原子。这些额外的几个原子使情况发生了变化： 它们使晶体具有更大的重复结构或周期性，而不是单一不变的晶体结构。
圣路易斯华盛顿大学的同事们，包括博士生和共同第一作者任国栋，研究了这种排列，为巨大的光学各向异性提出了原子尺度的理论。
"卡茨说："事实证明，当你拥有这种特殊的晶体排列时，这种结构会导致沿材料一个方向的折射率增强。"这是非常非常出乎意料的。一般来说，你不会想到如此小的原子尺度变化会导致如此大的光学特性差异"。
梅说，这一发现意义重大。"这种各向异性的程度是迄今为止在任何光学材料中测得的最大程度"。
原子结构的微小变化会导致材料光学特性的巨大变化，这一观察结果可能还会产生其他影响。"卡茨说："我们也许能找到类似的材料，在这种材料中，微小的外部刺激--无论是弯曲、加热还是电流通过--都能动态地改变光学响应。"如果有一种材料只需按下按钮就能使折射率发生如此大的变化，那么全新的光学应用就成为可能。
目前，这种合成方法只能制造出小片的硫化锶钛。经过南加州大学同事的改进，也许有可能制造出用于现代光学技术的大型单晶材料。
既然已经知道了这种晶体的独特结构，就有可能寻找具有类似甚至更强光学特性的其他晶体。"卡茨说："这种类型的材料家族似乎隐藏着各种各样的秘密。"我们对进一步挖掘这一类材料时会发现什么感到兴奋"。
参考资料
Hongyan Mei et al, Colossal Optical Anisotropy from Atomic‐Scale Modulations, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202303588
