研究人员首次证明，一种特定类型的氧化物膜可以限制或“挤压”红外光，这一发现有望成为下一代红外成像技术的发展方向。薄膜限制红外光的效果远优于块状晶体，而块状晶体是限制红外光的成熟技术。
“薄膜保持了所需的红外频率，但压缩了波长，从而使成像设备能够捕捉到分辨率更高的图像，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授刘音说。
“我们已经证明，我们可以将红外光限制在其波长的 10% 以内，同时保持其频率 - 这意味着波长循环所需的时间是相同的，但波峰之间的距离要近得多。块体晶体技术将红外光限制在其波长的 97% 左右。”
“这种行为以前只是理论上的，但我们首次通过制备薄膜的方式以及新颖的同步近场光谱法，通过实验证明了这一点，”该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授徐瑞娟说道。
研究人员在这项研究中使用了过渡金属钙钛矿材料。具体来说，研究人员使用脉冲激光沉积在真空室中生长出 100 纳米厚的钛酸锶 (SrTiO 3 ) 晶体膜。这种薄膜的晶体结构质量很高，这意味着它几乎没有缺陷。然后将这些薄膜从生长它们的基底上取下，并放置在硅基底的氧化硅表面上。
随后，研究人员利用劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的技术，对钛酸锶薄膜在红外光照射下进行同步加速器近场光谱分析。这使研究人员能够在纳米尺度上捕捉到材料与红外光的相互作用。
要理解研究人员的研究成果，我们需要讨论声子、光子和极化子。声子和光子都是能量在材料之间和材料之间传播的方式。声子本质上是由原子振动引起的能量波。光子本质上是电磁能量波。你可以把声子看作是声能的单位，而光子是光能的单位。声子极化子是准粒子，当红外光子与“光学”声子(即可以发射或吸收光的声子)耦合时就会出现。
“理论论文提出了这样一种观点，即过渡金属钙钛矿氧化物膜将允许声子极化子限制红外光，”刘说。“而我们的工作现在证明，声子极化子确实会限制光子，并阻止光子超出材料表面。
“这项研究建立了一种用于控制红外波长光的新型光学材料，在光子学、传感器和热管理方面具有潜在的应用，”刘说。“想象一下，我们可以设计出使用这些材料将热量转化为红外光来散热的计算机芯片。”
“这项研究也非常令人兴奋，因为我们展示的制造这些材料的技术意味着薄膜可以很容易地与各种各样的基底集成在一起，”徐说。“这应该可以很容易地将这些材料整合到许多不同类型的设备中。”