Un equipo dirigido por Nanfang Yu, profesor asistente de física aplicada en Columbia Engineering, descubrió un nuevo material óptico de transición de fase y demostró nuevos dispositivos que controlan dinámicamente la luz en un rango de longitud de onda mucho más amplio y con una amplitud de modulación mayor que la que tiene actualmenteEl equipo, incluidos los investigadores de Purdue, Harvard, Drexel y Brookhaven National Laboratory, descubrió que el nickelato de samario SmNiO3 se puede sintonizar eléctricamente de forma continua entre un estado transparente y opaco en un amplio rango de espectro sin precedentes desde el azul enel visible longitud de onda de 400 nm al espectro de radiación térmica en el infrarrojo medio longitud de onda de unas pocas decenas de micrómetros. El estudio, que es la primera investigación de las propiedades ópticas de SmNiO 3 y la primera demostración del material en aplicaciones de dispositivos fotónicos, se publica hoy en línea en Materiales avanzados .
"El rendimiento de SmNiO3 es récord en términos de la magnitud y el rango de longitud de onda de sintonización óptica", dice Yu. "Casi no hay otro material que ofrezca una combinación de propiedades tan deseable para los dispositivos optoelectrónicos. ElLa sintonización reversible entre los estados transparentes y opacos se basa en el dopaje de electrones a temperatura ambiente y potencialmente muy rápido, lo que abre una amplia gama de aplicaciones interesantes, como 'ventanas inteligentes' para un control dinámico y completo de la luz solar, recubrimientos de emisividad térmica variablepara camuflaje infrarrojo y control de temperatura radiativa, moduladores ópticos y dispositivos de memoria óptica ".
Algunas de las nuevas funciones potenciales incluyen el uso de la capacidad de SmNiO3 para controlar la radiación térmica para construir recubrimientos "inteligentes" para camuflaje infrarrojo y termorregulación. Estos recubrimientos podrían hacer que las personas y los vehículos, por ejemplo, parezcan mucho más fríos de lo que realmente son y, por lo tanto, imperceptibles bajouna cámara térmica por la noche. El recubrimiento podría ayudar a reducir los grandes gradientes de temperatura en un satélite ajustando la radiación térmica relativa desde su lado brillante y oscuro con respecto al sol y, por lo tanto, prolongar la vida útil del satélite. Debido a este material de transición de fasepotencialmente puede cambiar entre los estados transparentes y opacos con alta velocidad, puede usarse en moduladores para comunicación óptica de espacio libre y radar óptico y en dispositivos de memoria óptica.
Los investigadores han intentado durante mucho tiempo construir dispositivos ópticos activos que puedan controlar dinámicamente la luz. Estas incluyen las "ventanas inteligentes" de Boeing 787 Dreamliner, que controlan pero no completamente la transmisión de la luz solar, discos DVD regrabables en los que podemos usar un láserhaz para escribir y borrar datos, y sistemas de comunicaciones de fibra óptica de alta velocidad y larga distancia donde la información se "escribe" en haces de luz mediante moduladores ópticos. Sin embargo, los dispositivos ópticos activos no son más comunes en la vida cotidiana, porqueha sido tan difícil encontrar materiales ópticos avanzados que puedan ajustarse activamente y diseñar arquitecturas de dispositivos adecuadas que amplifiquen los efectos de dichos materiales ajustables.
Cuando Shriram Ramanathan, profesor asociado de ciencia de materiales en Harvard, descubrió la resistividad eléctrica sintonizable gigante de SmNiO3 a temperatura ambiente, Yu tomó nota. Los dos se conocieron en la Conferencia de Fotónica IEEE en 2013 y decidieron colaborar. Yu y sus estudiantes, trabajando conRamanathan, coautor de este artículo, realizó estudios ópticos iniciales del material de transición de fase, integró el material en interfaces ópticas de diseño nanoestructuradas "metasuperficies" y creó prototipos de dispositivos optoelectrónicos activos, incluidos moduladores ópticos que controlanun haz de luz y recubrimientos de emisividad variable que controlan la eficiencia de la radiación térmica.
"SmNiO3 es realmente un material inusual", dice Zhaoyi Li, autor principal del artículo y estudiante de doctorado de Yu, "porque se vuelve eléctricamente más aislante y ópticamente más transparente ya que está dopado con más electrones; esto es todo lo contrario demateriales comunes como semiconductores "
Resulta que los electrones dopados "se bloquean" en pares con los electrones inicialmente en el material, un fenómeno mecánico cuántico llamado "fuerte correlación de electrones", y este efecto hace que estos electrones no estén disponibles para conducir corriente eléctrica y absorber luz. Entonces, despuésdopaje electrónico, las películas delgadas SmNiO3 que originalmente eran opacas de repente permiten que más del 70 por ciento de la luz visible y la radiación infrarroja se transmitan.
"Uno de nuestros mayores desafíos", agrega Zhaoyi, "fue integrar SmNiO3 en dispositivos ópticos. Para abordar este desafío, desarrollamos técnicas especiales de nanofabricación para modelar estructuras de metasuperficie en películas delgadas SmNiO3. Además, elegimos cuidadosamente la arquitectura del dispositivoy materiales para garantizar que los dispositivos puedan soportar las altas temperaturas y presiones que se requieren en el proceso de fabricación para activar SmNiO3 ".
Yu y sus colaboradores planean realizar un estudio sistemático para comprender la ciencia básica de la transición de fase de SmNiO3 y explorar sus aplicaciones tecnológicas. El equipo investigará la velocidad intrínseca de la transición de fase y el número de ciclos de transición de faseel material puede resistir antes de que se descomponga. También trabajarán para abordar problemas tecnológicos, incluida la síntesis de películas ultrafinas y lisas del material y el desarrollo de técnicas de nanofabricación para integrar el material en nuevos dispositivos ópticos planos.
"Este trabajo es un paso crucial para lograr el objetivo principal de mi laboratorio de investigación, que es hacer de una interfaz óptica un dispositivo óptico funcional", señala Yu. "Visualizamos reemplazar dispositivos y componentes ópticos voluminosos con 'óptica plana' porutilizando interacciones fuertes entre la luz y los materiales estructurados bidimensionales para controlar la luz a voluntad. El descubrimiento de este material de transición de fase y la integración exitosa de él en una arquitectura de dispositivo plano son un gran avance para realizar dispositivos ópticos planos activos no solo conrendimiento mejorado de los dispositivos que estamos usando hoy, pero con funcionalidades completamente nuevas ".
El equipo de Yu incluyó a Ramanathan, su estudiante de doctorado de Harvard, You Zhou, y su compañero postdoctoral de Purdue, Zhen Zhang, que sintetizó el material de transición de fase e hizo algunos de los experimentos de transición de fase este trabajo comenzó en Harvard y continuó cuando Ramanathan se mudó a Purdue; El profesor de ciencias de materiales de la Universidad de Drexel, Christopher Li, el estudiante de doctorado Hao Qi y el científico de investigación Qiwei Pan, que ayudaron a fabricar dispositivos de estado sólido al integrar SmNiO3 con nuevos electrolitos de polímeros sólidos; y los científicos del personal del Laboratorio Nacional Brookhaven Ming Lu y Aaron Stein, quienesayudó a la nanofabricación de dispositivos. Yuan Yang, Profesor Asistente de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Departamento de Física Aplicada y Matemática Aplicada en Columbia Engineering, fue consultado durante el progreso de esta investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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