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- 초박형 소재로 빠르고 맞춤형 편광 가능
- 이 소재는 LCD 디스플레이보다 100만 배 더 빠르게 반응하고 20배 더 작은 픽셀을 허용
- 스크린뿐 아니라 광통신에도 새로운 가능성을 열어준다.

블랙 인(Phosphorus, 燐)은 빛을 조작한다.

초박형 소재로 빠르고 맞춤형 편광 가능

통신 및 디스플레이에 유용:
단 3개의 원자층 두께인 검은 인은 빠르고 쉽게 제어할 수 있는 빛의 조작자임이 입증됐다. 실험에서 알수 있듯이 이는 노끈 성분과 같은 홈이 있는 반도체 재료를 통한 빛의 편광을 전자적으로 제어할 수 있기 때문이다. 이 소재는 LCD 디스플레이보다 100만 배 더 빠르게 반응하고 20배 더 작은 픽셀을 허용하기 때문에 스크린뿐 아니라 광통신에도 새로운 가능성을 열어준다. 

▲ 흑린은 가장 작은 공간에서 빛의 편광을 조작할 수 있으며 전기 신호로 제어할 수 있다. © Caltech

빛의 진동 방향(편광)은 많은 광학 응용 분야에서 필수적인 속성이다.
그것은 얽힌 광자를 통한 양자 전송의 기초이지만 LCD 디스플레이, 홀로그램 비디오, 많은 광 센서 및 광 전도체를 통한 고전적인 데이터 전송의 기초이기도 하다. 지금까지 이를 위해 사용된 광자의 편광은 대부분 특수 필터 또는 나노구조에 의해 정적으로 생성되었다.

지금까지 빠진 것이 편광을 빠르고 동적으로 조정할 수 있는 재료다.
California Institute of Technology의 수빅 비스와스9Souvik Biswas)와 동료들은 "전자적으로 재구성 가능한 분극은 매우 제한된 범위에서만 가능하다"고 설명했다. 문제는 이전에 이를 위해 사용된 액정 또는 리튬 니오베이트 기반 기술은 매우 부피가 커서 광자 플랫폼에 통합하기 어렵다. 단순히 너무 크다.

노끈 소재 같은 늑골

Biswas와 그의 팀은 이제 동적 전환 가능성과 작은 크기를 결합한 편광 물질인 흑린을 발견했다. 이것은 특별한 원자 구성을 가진 인의 변형이다. 인 원자는 주름진 층을 형성하는 방식으로 요소의 결정 격자에 배열된다. Caltech의 팀 리더인 해리 애트워터(Harry Atwater)는 "이러한 작은 구조가 양극화를 일으키는 원인이다"고 설명했다.

빛이 흑색 형광체의 리브에 닿으면 입사각과 편광에 따라 반사되거나 흡수되는 정도가 다르다. "예를 들어 빛의 편광이 리브를 따라 정렬되면 편광이 리브에 수직인 경우와 재료가 다르게 반응한다"고 Atwater는 말했다. 테스트에서 원자 3층 두께의 흑색 인 층은 효과적인 편광 필터처럼 작용했다.

분극 동작은 전기적으로 전환될 수 있다.
그러나 핵심은 흑린은 반도체이기 때문에 그 행동이 전기 신호에 의해 영향을 받고 변경될 수 있다는 것이다. 실험에서 연구팀은 적외선까지 확장되는 넓은 스펙트럼 범위에서 빛의 편광을 구체적으로 제어할 수 있었다. "이것은 3층 블랙 형광체를 통신 주파수의 편광 변환에 특히 흥미롭게 만든다"고 과학자들은 설명했다. 이것은 광 데이터 전송의 대역폭을 더욱 증가시키는 데 도움이 될 수 있다.

또 다른 장점:
예를 들어, 흑색 형광체는 LCD 크리스탈보다 훨씬 빠르고 정확하게 제어할 수 있다. Biswas와 그의 동료들에 따르면 동적 인광체 기반 나노 편광기는 약 백만 배 더 빠르게 반응한다. 크기가 작기 때문에 초소형 광학 장치에도 사용할 수 있다.

새로운 애플리케이션

"우리의 결과는 나노 스케일에서 광학 편광을 능동적으로 제어하는 ​​방법을 나타낸다"고 연구자들은 말했다. 통신 외에도 선택적 광센서 및 대면적 박막 편광 필터 또는 편광 기반 디스플레이에서 흑린의 응용 가능성을 보고 있다.
(과학, 2021; doi: 10.1126 / science.abj7053)
출처: 캘리포니아 공과대학

[더사이언스플러스]

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