Нов вид керамика е не само прозрачна, но може да контролира светлината с изключителна ефективност – по-добре от всички теоретични предвиждания. Сега една усъвършенствана теория, представена от изследовател в Penn State, обяснява защо новият материал е толкова добър в контролирането на светлината. Мащабното производство на тези материали може да осигури по-бързи, по-компактни и по-енергийно ефективни технологии за приложения като високоскоростни комуникации, образната диагностика и усъвършенствано сензорно зрение.
За да реши загадката защо електрооптичните свойства на прозрачната керамика – способността ѝ да променя начина, по който пречупва или пропуска светлина, когато се приложи напрежение – се оказват много по-добри от предвиденото, Хайсюе Ян, доцент по материалознание и инженерство от университета Queen Mary в Лондон, помолил за съдействие колеги от катедрата по материалознание и инженерство в Penn State.
Там по-рано е разработена усъвършенствана теория за ентропията – концепцията, че системите се стремят към безредие, ако не се прилага енергия, за да се държи под контрол хаосът. Тази усъвършенствана теория, известна още като теория на зентропията, съчетава квантова механика, термодинамика и статистическа механика в единна предсказваща рамка.
Заедно с екип, представляващ множество институции в шест държави, учените от Penn State разрешили мистерията и публикували работата си в Journal of the American Chemical Society.
Керамика и нейните оптични предимства
Керамиката предлага големи предимства за оптичните технологии, защото е много по-евтина за производство от монокристалите, по-лесна за мащабиране за приложение в използваеми компоненти и позволява прецизен контрол на състава.
За да функционира обаче в електрооптични устройства, материалът трябва да е прозрачен, така че светлината да преминава през него безпроблемно – дългогодишно предизвикателство, което последните постижения в обработката най-накрая преодоляха.
„Керамиката е много по-евтина, по-лесна за производство и позволява прецизен контрол на химичния състав на материала“, казва Зи-Куй Лиу, професор по материалознание и инженерство в Penn State.
„Предизвикателството е, че керамиката трябва да е прозрачна, така че светлината да може да преминава през нея гладко без изкривяване, за да функционира като електрооптичен материал“, допълва той.
Изследователите постигнали прозрачност, използвайки подобрени производствени техники, които изглаждат малките несъвършенства вътре в керамиката – същите несъвършенства, които обикновено разсейват светлината и правят материала да изглежда мътен. Тези по-нови методи помагат на вътрешните „зърна“ на керамиката да се подредят по-равномерно с много по-малко дефекти, позволявайки на светлината да преминава директно през тях.
Изследователският екип приложил тези техники, за да създаде напълно прозрачната керамика, използвана в изследването. Това, от своя страна, направило възможни удивителните електрооптични резултати, които се оказали изненада за изследователите.
Необясними резултати и нови теории
„В общността на фероелектриците нямаше съществуваща теория, която да обясни тези резултати“, казва Лиу, обяснявайки, че Ян е научил за неговата теория за зентропията и е потърсил сътрудничество.
Лиу посочва, че екипът е бил мотивиран от „намеци“ в научната литература, че прозрачните фероелектрични монокристали с плътни доменни стени могат да показват необичайно силно електрооптично поведение.
Учените подозирали, че ако необичайно електрооптично поведение се появи в монокристали с много доменни стени – вътрешните граници, които разделят различно ориентираните области вътре в материала – същият основен механизъм може да се появи и в керамиката, която естествено съдържа още по-богати доменни структури.
След анализ на прозрачните керамични материали учените установили, че същият механизъм наистина се появява – и прави възможна много по-силна производителност. Останал въпросът защо. За да разберат, изследователите се задълбочили по-дълбоко в материала.
Прозрения в атомен мащаб и теория на зентропията
В типичните фероелектрични материали електрическият заряд е подреден в големи „домейни“ – региони, съставени от хиляди атоми, които се подреждат и обръщат посоката си заедно, когато се приложи напрежение.
Тези големи домейни работят добре за технологии, които боравят с по-бавни, радиочестотни скорости, но просто не могат да се движат достатъчно бързо, за да реагират на невероятно бързите светлинни вълни, използвани във фотониката.
Според изследователите, големите домейни не биха могли да обяснят необичайно силните електрооптични ефекти, които са наблюдават в прозрачната керамика.
Екипът се обърнал към трансмисионна електронна микроскопия с висока резолюция и усъвършенствани компютърни симулации, за да разгледа материала в много по-малък мащаб. Учените открили, че вместо големи, бавно движещи се домейни материалът съдържа малки „джобове“ на поляризация с ширина само няколко атома. Тези малки, бързо реагиращи структури, почти като „мини-домейни“, помогнали да се обясни свръхвисоката производителност.
Теорията на Лиу за зентропията помогнала на екипа да разбере защо новата керамика се държи толкова различно от това, което предвиждат съществуващите модели. Изследователите картографирали всички малки структурни състояния, които атомите могат да възприемат, и след това изчислили как бързите флуктуации се сумират, за да повлияят на цялостната производителност на материала.
Бъдещи приложения
Това разбиране е ключово за увеличаване на бъдещото производство на прозрачна керамика, казва Лиу.
Изследователите вече са демонстрирали, че техните керамични материали могат да се произвеждат надеждно в лабораторен мащаб и сега работят за мащабиране на производството, оценка на дългосрочната надеждност и разработване на по-безопасни безоловни версии за индустрията.
„С напредъка в тези области скоро може да има практически работещи устройства“, казва Лиу.
Такива практични устройства биха могли да променят ключови оптични устройства – от оптична интернет инфраструктура до системи за насочване на автономни автомобили и прецизна медицинска диагностика. Сега те са възлова част от съвременната цифрова икономика.
„Тези материали биха могли да проправят пътя за ново поколение електрооптични устройства, които са по-малки, по-бързи, по-енергийно ефективни и по-евтини“, каза Ян. „Потенциалните приложения включват оптични модулатори, оптични превключватели, комуникационни компоненти, сензори и интегрирана фотоника“, заключава професорът.
