Будущее высоких технологий: как трансформировать материалы с помощью лазеров
Ученые нашли способ изменять свойства материалов с помощью лазерного излучения, не перегревая их в процессе
«Подобные инструменты могут позволить вам изменять электронные свойства материалов одним щелчком выключателя света», − уверяет профессор физики Калифорнийского технологического института Дэвид Си. «Однако долгое время технологии были ограничены проблемой, связанной с тем, что лазеры слишком сильно нагревают материал».
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, Си и его команда, включая ведущего автора и аспиранта Джуньи Шаня, сообщают об успехе в использовании лазеров для резкого изменения свойств материалов без образования избыточного разрушительного тепла.
«Лазеры, необходимые для этих экспериментов, очень мощные, поэтому трудно не повредить материалы перегревом», − рассказал Шань. «С одной стороны, мы хотим, чтобы материал подвергался воздействию очень интенсивного лазерного излучения. С другой стороны, мы не хотим, чтобы материал вообще поглощал это излучение». Чтобы обойти это обстоятельство, команда нашла «золотую середину», где частота лазера настраивается таким образом, чтобы заметно изменить свойства материала без выделения нежелательного тепла.
Ученые также утверждают, что нашли идеальный материал для демонстрации этого метода. Полупроводник, называемый трисульфидом марганцевого фосфора, естественным образом поглощает лишь небольшое количество света в широком диапазоне инфракрасных частот. В своих экспериментах Си, Шань и его коллеги использовали интенсивные инфракрасные лазерные импульсы, каждый продолжительностью около 10-13 секунд, чтобы быстро изменить энергию электронов внутри материала. В результате материал перешел из очень непрозрачного состояния для определенных цветов света в очень прозрачное.
Исследователи говорят, что еще более важным является тот факт, что этот процесс обратим. Когда лазер выключается, материал мгновенно возвращается в исходное состояние совершенно невредимым. Это было бы невозможно, если бы материал поглотил лазерный свет и нагрелся, потому что материалу потребуется много времени, чтобы рассеять тепло. Манипуляция без нагрева, используемая в новом процессе, известна как «когерентная оптическая инженерия».
Этот метод работает, потому что свет изменяет разницу между энергетическими уровнями электронов в полупроводнике (так называемые запрещенные зоны), не переводя электроны на разные энергетические уровни, что и приводит к выделению тепла.
Полученные данные, по словам Си, означают, что другие исследователи теперь потенциально могут использовать свет для искусственного создания материалов, таких как экзотические квантовые магниты, которые в противном случае было бы трудно или даже невозможно создать естественным путем.