Ученые неожиданно освоили технику складывания микроскопических структур из стекла

Новости МирТесен

Ученые предложили способ формирования стеклянных микроскопических трехмерных фотонных структур путем сворачивания. Специалисты в области физики назвали этот процесс фотонным оригами. Данная методика может позволить создавать сложные оптические устройства для обработки информации, сенсорных систем и экспериментальных исследований непосредственно на чипе, в непосредственной близости от других электронных компонентов.

Миниатюризация охватывает как электронику, так и фотонику. Дальнейшее уменьшение размеров существующих устройств неизбежно подводит исследователей и разработчиков к необходимости создания объектов с атомарной точностью, что требует применения высоких энергий. Это создает трудности в формировании нескольких элементов в непосредственной близости, поскольку технологические процессы начинают противоречить друг другу, а попытки создания последующих структур несут риск повреждения уже существующих.

Чтобы избежать подобных проблем, отдельные компоненты фотонных устройств могут создаваться независимо, однако это значительно усложняет процесс производства. Специалисты стремятся найти оптимальное соотношение между необходимой точностью, качеством продукции и скоростью изготовления. В настоящее время даже самые передовые 3D-принтеры создают трехмерные структуры с невысокой степенью детализации и оптической неоднородностью. Это делает их непригодными для использования в высокоточных оптических системах.

Израильские физики разработали новый способ создания фотонных структур, получивший название фотонное оригами. С его помощью можно формировать структуры длиной три миллиметра, носящие всего полмикрона толщины, используя лазер. Это устанавливает новый рекорд соотношения длины к толщине для трехмерных объектов. Работа опубликована в журнале Optica.

Случайное открытие метода фотонного оригами произошло, когда руководитель исследовательской группы Таль Кармон из Тель-Авивского университета (Израиль) попросил аспирантку Манью Малхотру установить положение невидимого лазерного луча на стекле, увеличивая мощность лазера до тех пор, пока не появится свечение. Стекло не только засветилось, но и сформировалось. Благодаря этому исследователи открыли несложный и удивительный метод контроля над его структурой.

Под воздействием лазерного нагрева одна из сторон стекла переходит в состояние, близкое к жидкому, при этом поверхностное натяжение превосходит силу гравитации. Это приводит к деформации в месте лазерного воздействия, в результате чего стекло принимает форму, необходимую исследователям.

Возможность регулировки параметров изгиба достигает точности в 0,1 микрорада. Благодаря новому методу, ученым удалось придать стеклянным пластинам толщиной до десяти микрон различные формы, от прямых углов до спиралей. В ходе экспериментальной работы научная группа также смогла создать вогнутые и выпуклые зеркала с поверхностью высокой гладкости, отражающей свет без искажений.

Благодаря фотонному оригами исследователям удалось разработать сверхлегкую и точную структуру, имитирующую вогнутое зеркало и напоминающую перевернутый стол. С помощью этой разработки ученые планируют изучать отклонения от ньютоновской гравитации в малых масштабах. Данные эксперименты могут помочь разобраться в астрономических загадках, связанных с темной материей – области физики, где современные наблюдения систематически расходятся с теоретическими расчетами.

По мнению исследователей, их разработка позволит производить микрозум-объективы, которые смогут заменить отдельные камеры в большинстве современных смартфонов. Кроме того, она дает возможность создавать микрофотонные компоненты, где свет будет использоваться вместо электричества, что ускорит переход к более быстрым и энергоэффективным альтернативам традиционной электронике в компьютерах.