杜克大學(xué)的電子工程師們發(fā)現(xiàn)，改變一類常用于電子學(xué)和近紅外和中紅外光子學(xué)的材料的物理形狀--硫族化物玻璃--可以將它們的用途擴(kuò)展到電磁波譜的可見光和紫外線部分，這種玻璃已經(jīng)在探測(cè)器、鏡頭和光纖中得到商業(yè)化應(yīng)用，而現(xiàn)在可能在水下通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物成像等應(yīng)用中找到歸宿。

這些結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

顧名思義，硫族化物玻璃含有一種或多種硫族元素--諸如硫、硒和碲等化學(xué)元素。但是這個(gè)家族中有一個(gè)成員被他們遺漏了：氧氣。它們的材料特性使它們成為先進(jìn)電子應(yīng)用的有力選擇，如光學(xué)開關(guān)、超小的直接激光寫入（想想微小的可重寫光盤）和分子指紋識(shí)別。但是，由于它們強(qiáng)烈吸收電磁波譜中的可見光和紫外線部分的光的波長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來，在光子學(xué)的應(yīng)用方面，鹵化物玻璃一直被限制在近紅外和中紅外。

杜克大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系教授Natalia Litchinitser說："近紅外和中紅外已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，但它們一直有一個(gè)基本的限制，即在可見光和紫外光波長(zhǎng)下是有損耗的。"但最近對(duì)納米結(jié)構(gòu)如何影響這些材料對(duì)光的反應(yīng)方式的研究表明，可能有一種方法可以繞過這些限制。

在最近對(duì)砷化鎵（GaAs）--一種常用于電子領(lǐng)域的半導(dǎo)體--的理論研究中，Litchinitser的合作者，美國(guó)陸軍CCDC航空和導(dǎo)彈中心的Michael Scalora和布雷西亞大學(xué)的Maria Vincenti預(yù)測(cè)，納米結(jié)構(gòu)的砷化鎵對(duì)光的反應(yīng)可能與它的塊狀甚至薄膜的對(duì)應(yīng)物不同。由于高強(qiáng)度的光脈沖與納米結(jié)構(gòu)材料相互作用的方式，非常薄的材料線彼此相鄰排列，可能會(huì)產(chǎn)生更高階的諧波頻率（更短的波長(zhǎng)），以至于可以穿過它們。

想象一下，一根被調(diào)諧到256赫茲的吉他弦--也就是所謂的中央C調(diào)。研究人員提出，如果制作得恰到好處，這根弦在被撥動(dòng)時(shí)也可能以高出一個(gè)或兩個(gè)八度的頻率進(jìn)行少量振動(dòng)。

Litchinitser和她的博士生Jiannan Gao決定看看這種情況是否同樣適用于致癌物玻璃。為了測(cè)試這一理論，海軍研究實(shí)驗(yàn)室的同事們將一層300納米厚的三硫化砷薄膜沉積在玻璃基板上，然后用電子束光刻和活性離子蝕刻技術(shù)對(duì)其進(jìn)行納米化處理，以產(chǎn)生寬430納米、間距625納米的三硫化砷納米線。

盡管三硫化砷完全吸收了600太赫茲以上的光--大致是青色--研究人員發(fā)現(xiàn)他們的納米線在846太赫茲時(shí)傳輸微小的信號(hào)，這正好是在紫外線光譜中。

用近紅外光照亮一個(gè)由精心設(shè)計(jì)的納米線組成的元表面，可以讓原始頻率及其三次諧波的產(chǎn)生和傳輸，這是非常出乎意料的，因?yàn)槿沃C波落入材料應(yīng)該吸收的范圍。

這種反直覺的結(jié)果是由于非線性三次諧波的產(chǎn)生及其與原始頻率的"相位鎖定"的影響。Litchinitser說："最初的脈沖捕獲了三次諧波，并在某種程度上欺騙了材料，讓它們同時(shí)通過而沒有任何吸收。"

展望未來，Litchinitser和她的同事們正在努力研究他們是否能夠設(shè)計(jì)出不同形狀的黃銅化物，使其能夠比最初的納米帶更好地?cái)y帶這些諧波信號(hào)。例如，他們認(rèn)為，一對(duì)長(zhǎng)的、薄的、類似樂高的積木，間隔一定的距離，可能會(huì)在第三和第二諧波頻率上產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)。他們還預(yù)測(cè)，將這些元表面的多層堆疊在一起可能會(huì)增強(qiáng)效果。

如果成功的話，這種方法可以為流行的電子材料和中紅外光子開啟一個(gè)廣泛的可見光和紫外線應(yīng)用。

（舉報(bào)）