光局域化在無(wú)缺陷的二十面體的準(zhǔn)晶中存在已經(jīng)在理論上給予了預(yù)測(cè)，卻沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。在這里，報(bào)道了制造出亞微米的不導(dǎo)電的二十面體的準(zhǔn)晶以及首次直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)并觀察到無(wú)缺陷的準(zhǔn)晶中的內(nèi)在的光局域化。這一結(jié)果是在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)在不同的激光波長(zhǎng)下于時(shí)間分辨率的測(cè)量條件下獲得的。

ITMO大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)展了一系列的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究聚合物準(zhǔn)晶，最終證實(shí)了他們一開(kāi)始的設(shè)想。在不久的將來(lái)，采用準(zhǔn)晶也許可以為設(shè)計(jì)新的激光器和傳感器開(kāi)辟了一扇新的大門。這一文章發(fā)表在期刊《Advanced Optical Materials》上。

晶體是一種周期性排列的固體結(jié)構(gòu)，即當(dāng)原子發(fā)生位移的時(shí)候，他們會(huì)取代其他原子的位置，后者是前者的轉(zhuǎn)移。這一事實(shí)在科學(xué)上已經(jīng)在20世紀(jì)的初期就被證實(shí)了。這一理論導(dǎo)致了現(xiàn)代固體物理的誕生和也同時(shí)幫助建立了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。

ITMO大學(xué)的助理教授Mikhail Rybin

計(jì)算機(jī)，智能手機(jī)，LEd燈泡，激光——幾乎所有我們不能想像的，如果我們今天的生活中沒(méi)有這些會(huì)咋樣，Mikhail Rybin說(shuō)到，他是ITMO大學(xué)物理和工程學(xué)院的助理教授，這些物品的設(shè)計(jì)得益于我們理解了半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。周期結(jié)構(gòu)的理論使得我們可以得出這樣的結(jié)論，要使物質(zhì)產(chǎn)生光，電子或者聲音，只有兩種辦法。一種辦法就是波長(zhǎng)在晶體中的向前傳播，或者它快速的在一種稱之為帶間隙的波長(zhǎng)處消散。幾乎不存在其他的選擇和它非常容易的簡(jiǎn)化了當(dāng)實(shí)施工程任務(wù)的時(shí)候粒子傳統(tǒng)的規(guī)律。

然而，一些器件需要晶體不會(huì)傳輸波長(zhǎng)和不會(huì)發(fā)生熄滅。但可以在一定時(shí)間內(nèi)像光”陷阱“一樣保持它本身也是必須的。

例如，對(duì)于激光或一些傳感器的運(yùn)行來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)必須多次穿透器件工作區(qū)域以促使它同活性物質(zhì)元素之間的相互作用有效性，Mikhail Rybin解釋說(shuō)，這對(duì)創(chuàng)造這一“陷阱”來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因?yàn)橐３衷谝粋€(gè)非常小的區(qū)域是非常困難的。這對(duì)現(xiàn)代物理來(lái)說(shuō)是非常重要的技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

可以說(shuō)，越大越好！

比較理想的，整個(gè)材料將會(huì)在“陷阱”的角色發(fā)生，這是因?yàn)楦嗟墓獗徊东@，波長(zhǎng)同活性介質(zhì)之間的相互作用就會(huì)更加有效。然而，在是晶體的情形下，就幾乎不可能了。正如前面所討論的一樣，它只會(huì)消散波長(zhǎng)或使其通過(guò)。

文章中所展示的光“陷阱”的示意圖

可以替代的，這里存在一個(gè)可能，就是局部光在非有序的結(jié)構(gòu)中，例如 ，在粉末中， Mikhail Rybin解釋到，然而我們并不能獲得可以重復(fù)的這一系統(tǒng)。在一個(gè)樣品中，粒子會(huì)以一定的方式排列，而在另外一些樣品中，就會(huì)完全不一樣。對(duì)于特定的任務(wù)，對(duì)同一器件的批量制造，你需要一些適合的事物。

這里同時(shí)存在第三種辦法。我們可以使用材料的一種中間態(tài)，此時(shí)粒子并不形成周期性的晶格，正如在晶體中所發(fā)生的一樣，但在同時(shí)具有數(shù)學(xué)意義上的嚴(yán)格排序。這些結(jié)構(gòu)稱之為準(zhǔn)晶，他們是在1980年被發(fā)現(xiàn)的，并且從此以后開(kāi)始被物理學(xué)家們開(kāi)始進(jìn)行研究。

由于在準(zhǔn)晶中并不存在周期性，Mikhail Rybin說(shuō)到，這樣就不存在限制波長(zhǎng)要么直接穿過(guò)而不損失或快速消散的問(wèn)題。在2017年發(fā)表的一篇論文曾經(jīng)預(yù)測(cè)了在準(zhǔn)晶中光的局域化現(xiàn)象，而我們采用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)果。

Artem Sinelnik 正在實(shí)驗(yàn)室工作

在幾乎40多年的關(guān)于研究準(zhǔn)晶的過(guò)程中，物理學(xué)家們理解了準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)模擬它?？蓡?wèn)題就在于這一準(zhǔn)晶在微觀層面并不是比較容易合成的。

這就是當(dāng)這一技術(shù)發(fā)展起來(lái)的時(shí)候來(lái)拯救我們，Artem Sinelnik說(shuō)到，他是物理和工程系的一名博士生，在我們的研究部門內(nèi)，有一套三維的納米級(jí)別的打印裝置，這一打印裝置的體素（打印設(shè)備的最小的打印體積單元）大約為一個(gè)微米的一半，這一數(shù)量級(jí)是人體頭發(fā)絲的百分之一還要小。在這一設(shè)備的幫助下，我們打印制造出在三維空間具有復(fù)雜材料分布特征的準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。

Artem Sinelnik 在具有納米打印精度的實(shí)驗(yàn)設(shè)備前

在打印制造出準(zhǔn)晶之后，科學(xué)家們開(kāi)始進(jìn)行了他們的初步研究。他們采用電子顯微鏡分析了材料的表面質(zhì)量。于是，他們進(jìn)行光學(xué)測(cè)量來(lái)證實(shí)樣品的內(nèi)部容積確實(shí)具有準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)。

在這之后，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)工作的合作者Artem Sinelnik解釋說(shuō)，一個(gè)短的脈沖輸送給準(zhǔn)晶，然后來(lái)測(cè)量一個(gè)稱之為 余暉的量。正如所預(yù)期的一樣，光的確在于我們的樣品中存在延遲，即，波可以在內(nèi)部保留一段較長(zhǎng)的時(shí)間。于是，我們可以證實(shí)這一三維的聚合物準(zhǔn)晶的確有能力來(lái)捕獲光。

Mikhail Rybin 和 Artem Sinelnik

直到今天，該工作可以說(shuō)僅僅是非?；镜摹Ｋ@示了聚合物準(zhǔn)晶的主要的光學(xué)性質(zhì)，這一聚合物準(zhǔn)晶是通過(guò)三維納米打印來(lái)制備的，具有局域化光的能力。然而，正如作者所注意到的一樣，這一研究在將來(lái)將會(huì)獲得應(yīng)用。

例如，通常一個(gè)激光器的設(shè)計(jì)是基于我們具有活性介質(zhì)的事實(shí)的前提下，這一活性介質(zhì)使得光通過(guò)足夠充分的巨大的外部振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)局域化， Mikhail Rybin解釋到，在這一工作中，我們的研究結(jié)果展示了準(zhǔn)晶可以結(jié)合活性介質(zhì)的功能同振蕩器的功能結(jié)合在一個(gè)結(jié)構(gòu)中的能力。

文章來(lái)源: “Experimental Observation of Intrinsic Light Localization in Photonic Icosahedral Quasicrystals” by Artem D. Sinelnik, Ivan I. Shishkin, Xiaochang Yu, Kirill B. Samusev, Pavel A. Belov, Mikhail F. Limonov, Pavel Ginzburg and Mikhail V. Rybin, 22 September 2020, Advanced Optical Materials. DOI: 10.1002/adom.202001170