全世界最小的剪紙：MIT中國科學家首次用剪紙打造納米光學器件

來源 | MIT官網

編譯 | 馮思桐

編輯 | 吳非

古老的剪紙藝術與現代納米材料科學的結合，孕育出一個新興研究領域——納米剪紙（nanokirigami）。科學家以離子束為剪，在納米尺度的平面材料上創造著精妙且具有廣泛應用前景的立體圖案。

近日，麻省理工學院機械工程系的方絢萊（Nicholas Fang）教授聯合其他中國研究人員，在《科學進展》（Science Advances） 期刊上發表了最新發現。他們首次應用納米剪紙技術造出納米尺度的光學器件。這項研究也為更多光通訊和計算設備提供了可能。

方絢萊（圖片來源：MIT官網）

方絢萊團隊用聚焦離子束切割僅有幾十納米厚的金屬箔片。低劑量的離子束會使金屬的晶體結構產生空隙，一些離子留在晶體中，使其結構變形，從而產生壓力引起箔片的扭曲。

這些幾百納米寬的風車葉片通過不同的旋轉方向，可以選擇過濾「左旋」或是「右旋」的圓偏振光（circularly polarized light）。

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用離子光束輻照而一步成型的三種不同結構

在紙上手工刀刻的中國傳統拉花（上）與研究中用離子束光刻出的相同圖案（下）

舌狀結構形成過程（右圖為各處所受應力情況）

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花狀結構

蜘蛛網狀結構

同心弧結構

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蜘蛛網狀（左）及同心弧（右）結構形成過程

三重斐波納契螺旋

窗花狀

可變形的螺旋

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一列風車結構同時向上屈曲

更多奇異的形狀…

雙斐波那契螺旋組合

互相勾連的窗花狀納米屏障

在不同劑量的離子束照射後的可變形螺旋

異質結構螺旋的組合

方絢萊表示，在此之前，這類研究用到的摺疊步驟較為複雜，且成品主要用於機械而非光學領域。相較而言，他們的設備可以一步成型，並且具有多種光學用途。

這種技術足夠簡單，其他研究者可以用他們的數學模型，從預期的光學特性中逆推所需的剪紙樣式，而不是像之前用直覺來剪出想要的結果。

圓偏振也可使多束激光在不互相干擾的情況下，穿過光纖電纜。方教授說，人們一直在尋找這種叫作「光頻隔離器」的設備，來更好地實現激光通訊系統，現在他們證明了這可以被製成納米尺寸。

雖然還需要更多的研究工作，這些設備都比常規的類似設備小几個量級，所以這些進步可以產生更複雜的光學晶元，用於計算，感測，以及通訊系統或生物醫學設備。

（文中所有圖片及動圖均來自研究論文）

原始論文：

http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaat4436

參考鏈接：

http://news.mit.edu/2018/kirigami-inspired-technique-manipulates-light-nanoscale-0706

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