Kirigami启发的技术操纵纳米尺度的光

Nanokirigami在过去几年中已成为一个研究领域; 这种方法基于古老的折纸艺术(通过折叠纸制作三维形状)和kirigami(允许切割和折叠)，但应用于纳米级的扁平材料，以十亿分之一米为单位。

现在，麻省理工学院和中国的研究人员首次将这种方法应用于创建纳米器件以操纵光，可能为研究开辟新的可能性，并最终创建新的基于光的通信，检测或计算设备。

研究结果在麻省理工学院机械工程教授Nicholas X Fang和其他五篇论文的科学进展杂志中有所描述 。使用基于标准微芯片制造技术的方法，Fang和他的团队使用聚焦离子束在几十纳米厚的金属箔中制作精确的狭缝图案。该过程使箔弯曲并将其自身扭曲成复杂的三维形状，能够选择性地滤除具有特定偏振的光。

他说，以前创建功能性kirigami设备的尝试使用了更复杂的制造方法，这些方法需要一系列折叠步骤，主要针对机械而非光学功能。相反，新的纳米器件可以在单个折叠步骤中形成，并且可以用于执行许多不同的光学功能。

对于这些最初的概念验证设备，该团队生产了一种纳米机械等效的专用二向色滤光片，可以滤除“右手”或“左手”的圆偏振光。为此，他们创造了一种模式薄金属箔中只有几百纳米; 结果类似于风车叶片，在一个方向上扭曲，选择相应的光线扭曲。

箔的扭曲和弯曲是由于切割穿过金属的相同离子束引入的应力而发生的。当使用低剂量的离子束时，产生许多空位，并且一些离子最终滞留在金属的晶格中，推动晶格变形并产生引起弯曲的强应力。

“我们用离子束而不是剪刀切割材料，用规定的图案将聚焦离子束写在这块金属板上，”Fang说。“所以你最终会在精确计划的图案中找到皱纹的金属丝带。

“这是两个领域，机械和光学的非常好的联系，”方说。他说，该团队使用螺旋形图案来分离出光束的顺时针和逆时针偏振部分，这可能代表了nanokirigami研究的“全新方向”。

这项技术很简单，根据研究小组开发的方程式，研究人员现在应该能够从一组理想的光学特性向后计算并产生所需的狭缝和折叠图案，以产生这种效果，Fang说。

他补充说：“它允许基于光学功能的预测”来创建能够达到预期效果的模式。“以前，人们总是试图通过直觉来削减”，为特定的期望结果创造kirigami模式。

Fang指出，这项研究仍处于早期阶段，因此需要对可能的应用进行更多的研究。但是这些设备比执行相同光学功能的传统设备小几个数量级，因此这些进步可能会导致更复杂的光学芯片用于传感，计算或通信系统或生物医学设备，该团队表示。

例如，Fang说，测量葡萄糖水平的装置通常使用光极性的测量，因为葡萄糖分子以右手和左手两种形式存在，其与光的相互作用不同。“当你将光线透过溶液时，你可以看到一种分子的浓度，而不是两者的混合物，”Fang解释说，这种方法可以使更小，更有效的探测器。

圆偏振也是一种用于允许多个激光束穿过光纤电缆而不会相互干扰的方法。他说，“人们一直在寻找这种激光光通信系统的系统”，将光束隔离器中的光束分开。“我们已经证明，它们可以制成纳米尺寸。”