作者:艾米丽·维拉斯科，加州理工学院
一位艺术家绘制的光从黑磷表面反弹回来，改变了它的偏振
信用:加州理工学院 我们大多数人都在想都没想就一直控制着光线，通常是以平凡的方式:我们戴上一副太阳镜，涂上防晒霜，关上——或者打开——百叶窗
但是对光的控制也可以以高科技的形式出现
你正在阅读的电脑、平板电脑或手机的屏幕就是一个例子
另一个是电信，它控制光线产生信号，通过光缆传输数据
科学家们还在实验室中使用高科技方法来控制光，现在，由于一项新的突破，使用了一种只有三个原子厚的特殊材料，他们可以比以往任何时候都更精确地控制光
这项工作是在哈里·阿特沃特的实验室进行的，他是奥的斯工程和应用科学部的布斯领导主席，霍华德·休斯应用物理和材料科学教授，也是液态阳光联盟(LiSA)的主任
它发表在10月22日出版的《科学》杂志上
为了理解这项工作，首先要记住光是以波的形式存在的，并且它有一种称为偏振的特性，这种特性描述了波振动的方向，这是有帮助的
想象一下，坐在一艘在海洋上上下浮动的船上:海浪具有垂直极化，这意味着当波浪在船下通过时，它会上下波动
光波的行为方式基本相同，只是这些波可以以任何角度偏振
如果一艘船能驾驭光波，它可能会左右摇摆，或者呈对角线，甚至呈螺旋状
偏振是指波(包括光)振动的方向
偏振角可以改变
信用:Smouss/维基共享空间 偏振是有用的，因为它允许以特定的方式控制光
例如，太阳镜中的镜片可以阻挡眩光(光线从表面反射时，如汽车的车窗，通常会发生偏振)
台式计算器的屏幕通过偏振光线并在某些区域遮挡光线来产生清晰的数字
偏振光被阻挡的区域看起来很暗，而没有被阻挡的区域看起来很亮
在这篇论文中，阿特沃特和他的合著者描述了他们如何使用三层磷原子来制造一种可调谐、精确且极薄的偏振光材料
这种材料由所谓的黑磷构成，在许多方面类似于石墨或石墨烯，由单原子厚的碳层构成
但是石墨烯层是完全平坦的，而黑磷层是有棱纹的，就像一条灯芯绒裤子或瓦楞纸板的纹理
(磷也有红色、白色和紫色三种形式，由于其中原子的排列方式不同而有所区别
) 阿特沃特说，这种晶体结构使得黑磷具有显著的各向异性光学特性
“各向异性意味着它是角度相关的，”他解释道
“在石墨烯这样的材料中，无论光线偏振的角度如何，光线都会被同等地吸收和反射
黑磷是非常不同的，因为如果光的偏振沿着波纹排列，它的响应与垂直于波纹排列的响应非常不同
" 当偏振光穿过黑磷的褶皱时，它与材料的相互作用与沿着褶皱定向时不同——有点像在灯芯绒中沿着褶皱摩擦手比在褶皱上摩擦手更容易
计算器的显示器，利用偏振光的特性来创建亮区和暗区，这些区域可以用数字和其他图形来表示
信用:大卫
论坛/维基共享空间 然而，许多材料可以使光偏振，这种能力本身并不是特别有用
阿特沃特说，黑磷的特殊之处在于它也是一种半导体，一种比玻璃等绝缘体导电更好的材料，但不如铜等金属导电好
微芯片中的硅是半导体的一个例子
正如由硅构建的微小结构可以控制微芯片中的电流一样，由黑磷构建的结构可以在电信号施加到其上时控制光的偏振
“这些微小的结构正在进行这种偏振转换，”阿特沃特说，“所以现在我可以制造非常薄且可调的纳米尺度的东西
我可以制作一个这些小元件的阵列，每个元件都可以将偏振转换成不同的反射偏振状态
" 手机屏幕和电视中的液晶显示技术已经具备了其中的一些能力，但是黑磷技术有潜力远远超过它
黑磷阵列的“像素”可能比液晶显示器的像素小20倍，但对输入的响应速度却快100万倍
阿特沃特说，这样的速度对于在网上看电影或阅读文章来说不是必需的，但它们可能会彻底改变电信
在电信设备中传输光信号的光纤电缆只能传输如此多的信号，以至于它们开始相互干扰并淹没对方，使信号变得混乱(图为试图在拥挤嘈杂的酒吧里听到朋友在说什么)
但是基于黑磷薄层的电信设备可以调整每个信号的极化，这样就不会相互干扰
这将允许光缆比现在承载更多的数据
阿特沃特说，这项技术也可能为无线网络的光基替代物打开大门，该领域的研究人员称之为Li-Fi
黑色磷片，很像这种灯芯绒面料，有棱纹
信用:阿里尔·格伦/维基共享 “我们将越来越多地关注自由空间的光波通信，”他说
“像我桌子上方这种看起来很酷的灯一样照明，不会携带任何通信信号
它只是提供光
但是，你没有理由不能坐在未来的星巴克里，让你的笔记本电脑接收光信号进行无线通信，而不是无线电信号
它还没有完全到达这里，但是当它到达这里时，它将比无线网络至少快一百倍
" 描述这项工作的论文题为“原子级薄黑磷的宽带电光偏振转换”
“主要作者是应用物理学研究生苏维克·比斯瓦斯
其他合著者是梅尔·Y
应用物理和材料科学博士后研究助理Grajower和日本国家材料科学研究所的渡边健二和谷口高史
比斯瓦斯说:“现在是发现能够塑造光子器件未来的新材料的激动人心的时刻，我们几乎没有触及表面。”
“如果有一天你能买到用这种原子般薄的材料制成的商业产品，那将是令人欣慰的，而且那一天可能不会很远
"
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