光探测、热管理系统、成像设备都可以通过麻省理工学院的光控制研究得到改善

麻省理工学院(MIT)的研究人员发现了一种方法，可以将不同二维材料的特性耦合起来，从而对光波提供特殊程度的控制。他们说，这有可能导致新型的光探测、热管理系统和高分辨率成像设备。

这项新发现——使用一层单原子厚的石墨烯沉积在类似的二维六方氮化硼(hBN)材料层上——发表在该杂志上纳米快报．这项工作是由麻省理工学院机械工程副教授Nicholas Fang和研究生Anshuman Kumar，以及他们在IBM的T.J.沃森研究中心、香港理工大学和明尼苏达大学的共同作者共同撰写的。

尽管这两种材料在结构上相似——都是由六角形原子阵列组成的二维薄片——但它们与光的相互作用却截然不同。但研究人员发现，这些相互作用可以是互补的，并且可以以对光的行为提供大量控制的方式耦合。

当对石墨烯施加特定电压时，这种混合材料会阻挡光线，而当施加不同电压时，这种混合材料会产生一种特殊的发射和传播，称为“双曲线性”——这是一种在光学系统中从未见过的现象，方说。这种不寻常行为的结果之一是，极薄的材料薄片可以与光强烈相互作用，允许光束被引导、漏斗和控制施加在薄片上的电压。

“这为在非常有限的空间内发送和接收光提供了一个新的机会，”方说，并可能导致“独特的光学材料，具有巨大的光学互连潜力。”许多研究人员认为，改进光学和电子元件的互连是实现更高效计算和成像系统的一条途径。

光与石墨烯相互作用产生等离子体激子，而光与hBN相互作用产生声子。Fang和他的同事们发现，当材料以某种方式结合时，等离子体激元和声子可以耦合，产生强烈的共振。

石墨烯的特性允许对光进行精确控制，而hBN提供非常强的光约束和引导。研究人员说，将两者结合起来，就有可能创造出结合两者优点的新型“超材料”。

IBM研究员、该论文的合著者Phaedon Avouris说:“这两种材料的组合提供了一种独特的系统，可以操纵光学过程。”

研究人员说，组合材料创造了一个调谐系统，可以调整，只允许某些特定波长或方向的光传播。库马尔说:“我们可以开始有选择地选择一些频率(允许通过)，并拒绝一些频率。”

方舟子说，这些特性将使制造20纳米大小的微型光波导成为可能，这与现在微芯片中所能制造的最小特征的尺寸范围相同。他们说，这可能会导致将光学和电子组件结合在一个设备中的芯片，其损耗远低于单独制造这些设备然后再相互连接时的损耗。

该研究的共同作者、IBM和明尼苏达大学的研究员托尼·洛(Tony Low)说:“我们的工作为使用二维材料异质结构按需设计新的光学特性铺平了道路。”

方说，另一个潜在的应用来自于在材料表面开关光束的能力;他说，因为这种材料在近红外波长下自然工作，这可能为红外光谱研究开辟新的途径。“它甚至可以实现单分子分辨率，”方谈到放置在混合材料表面的生物分子时说。

该研究团队还包括香港理工大学的金鸿丰(Kin Hung Fung)。这项工作得到了国家科学基金会和空军科学研究办公室的支持。

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程，cvavra@cfemedia.com．看到额外的控制工程能源和电力故事．

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