Kirigami啟發的技術操縱納米尺度的光

Nanokirigami在過去幾年中已成為一個研究領域; 這種方法基于古老的折紙藝術(通過折疊紙制作三維形狀)和kirigami(允許切割和折疊)，但應用于納米級的扁平材料，以十億分之一米為單位。

現在，麻省理工學院和中國的研究人員首次將這種方法應用于創建納米器件以操縱光，可能為研究開辟新的可能性，并最終創建新的基于光的通信，檢測或計算設備。

研究結果在麻省理工學院機械工程教授Nicholas X Fang和其他五篇論文的科學進展雜志中有所描述 。使用基于標準微芯片制造技術的方法，Fang和他的團隊使用聚焦離子束在幾十納米厚的金屬箔中制作精確的狹縫圖案。該過程使箔彎曲并將其自身扭曲成復雜的三維形狀，能夠選擇性地濾除具有特定偏振的光。

他說，以前創建功能性kirigami設備的嘗試使用了更復雜的制造方法，這些方法需要一系列折疊步驟，主要針對機械而非光學功能。相反，新的納米器件可以在單個折疊步驟中形成，并且可以用于執行許多不同的光學功能。

對于這些最初的概念驗證設備，該團隊生產了一種納米機械等效的專用二向色濾光片，可以濾除“右手”或“左手”的圓偏振光。為此，他們創造了一種模式薄金屬箔中只有幾百納米; 結果類似于風車葉片，在一個方向上扭曲，選擇相應的光線扭曲。

箔的扭曲和彎曲是由于切割穿過金屬的相同離子束引入的應力而發生的。當使用低劑量的離子束時，產生許多空位，并且一些離子最終滯留在金屬的晶格中，推動晶格變形并產生引起彎曲的強應力。

“我們用離子束而不是剪刀切割材料，用規定的圖案將聚焦離子束寫在這塊金屬板上，”Fang說。“所以你最終會在精確計劃的圖案中找到皺紋的金屬絲帶。

“這是兩個領域，機械和光學的非常好的聯系，”方說。他說，該團隊使用螺旋形圖案來分離出光束的順時針和逆時針偏振部分，這可能代表了nanokirigami研究的“全新方向”。

這項技術很簡單，根據研究小組開發的方程式，研究人員現在應該能夠從一組理想的光學特性向后計算并產生所需的狹縫和折疊圖案，以產生這種效果，Fang說。

他補充說：“它允許基于光學功能的預測”來創建能夠達到預期效果的模式。“以前，人們總是試圖通過直覺來削減”，為特定的期望結果創造kirigami模式。

Fang指出，這項研究仍處于早期階段，因此需要對可能的應用進行更多的研究。但是這些設備比執行相同光學功能的傳統設備小幾個數量級，因此這些進步可能會導致更復雜的光學芯片用于傳感，計算或通信系統或生物醫學設備，該團隊表示。

例如，Fang說，測量葡萄糖水平的裝置通常使用光極性的測量，因為葡萄糖分子以右手和左手兩種形式存在，其與光的相互作用不同。“當你將光線透過溶液時，你可以看到一種分子的濃度，而不是兩者的混合物，”Fang解釋說，這種方法可以使更小，更有效的探測器。

圓偏振也是一種用于允許多個激光束穿過光纖電纜而不會相互干擾的方法。他說，“人們一直在尋找這種激光光通信系統的系統”，將光束隔離器中的光束分開。“我們已經證明，它們可以制成納米尺寸。”