康奈爾大學研究團隊發現可打破光學基本法則的新型半導體納米簇材料

康奈爾大學的研究團隊發現了一種打破光學基本原則的方法。這一發現顯示，光在進入材料的不同側面時可以表現出不同的行為。大部分材料對來自前方和後方的光線處理是一致的，而康奈爾團隊則製造出不符合此規則的材料。這一突破是透過簡單的半導體納米簇來實現的，這些並非特殊的工程複合材料，而是由硫化鎘、硒化鎘和碲化鎘等著名半導體製成的可溶液處理材料。博士生湯瑪斯·烏格拉斯在康奈爾大學杜菲爾德工程學院的理查德·D·羅賓遜教授指導下進行了這項研究。

打破這一規則向來困難的原因在於，大多數光學系統遵循一個稱為「互惠性」的原則。光線從任一方向穿過透鏡或鏡子時，其行為是相同的。要打破這一規則通常需要複雜的超材料，這些材料的製造成本高昂，或需要外部磁場，這會增加體積和成本，對於緊湊型設備來説並不實用。康奈爾的研究人員找到了一條更簡單的路徑，無需建造新的特殊材料，只需找到已經打破該規則的材料，並理解其原因。

打破光學互惠性原則的挑戰

創造不對稱的關鍵在於一種稱為魔術大小簇的納米材料。這些材料自組裝成螺旋結構，恰好同時展現出兩種光學效應：線性二向異性和手性二向異性。線性二向異性意味著材料對不同方向的線性偏振光的吸收不同，而手性二向異性則意味著對左旋和右旋圓偏振光的反應不同。單獨的任一效應不足以產生方向性不對稱，但當兩者的強度相當時，它們的相互作用會打破前後對稱。這一點之前被忽視的原因在於，手性效應幾乎總是遠弱於線性效應，研究人員假設其交互作用會太小而無法測量。

魔術大小簇的特別之處在於這兩種效應的強度相當。烏格拉斯通過偏振光與物質相互作用的數學認識到了這一點。羅賓遜用一個清晰的類比來説明實際意義：「想像一下，窗簾的橫條透過陽光，但從相反的一側，這些窗簾讓光線透過，彷彿橫條變成了豎條。」在大多數材料中，這一效應從兩側是相同的，在這裡則不是。研究團隊展示了一種從前方顯示字母「Y」，而從後方顯示「N」的薄膜。這一效應有可能創造出依據觀察角度不同而呈現不同的全息影像，也能實現光學加密和緊湊型方向性元件在光子電路中的應用。

新材料的實際應用潛力

羅賓遜描述了使用簡單材料的重要性。他表示：「驚訝的地方不在於我們發現了一種新的材料及其新特性，而在於這種新型的光學響應可以在研究人員已經知道如何製造的材料中出現。這為設計非互惠光子系統開闢了更為廣泛的可能性。」這一結果顯示，非互惠光學行為或許比以前想象的更為可及，這些材料可以使用現有技術進行製造，薄膜是從溶液中製作，而非在無塵室中進行納米製造，這消除了實驗室發現與實際設備之間的主要障礙。

他們的發現於 7 月 27 日在《自然材料》上首次發表。

新型光學材料的廣泛應用前景

康奈爾大學的研究顯示，利用簡單的半導體納米簇材料可以打破光學互惠性原則，這一發現對光學技術的發展具有重要意義。傳統上，打破這一原則需要複雜且昂貴的超材料，而此研究則提供了一種更為可行的替代方案。這不僅降低了成本，還使得相關技術的實現變得更加可及，為未來的光學加密和光子電路元件的設計開闢了新的方向。