研究人员首次表明，特定类型的氧化物膜能够限制或“挤压”红外光。这一发现有可能改善下一代红外成像技术。与当前用于红外光限制的标准技术——块晶体相比，薄膜膜在限制红外光方面更有效。红光在限制红外光方面比块晶体要有效得多。“薄膜膜保持红外频率不变，但压缩波长，使成像设备能够捕捉更高分辨率的图像，”研究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尹刘解释道。“我们已经证明，可以在保持频率不变的情况下将红外光限制到其波长的10%，这意味着波长通过的时间大大缩短。”循环的原理保持不变，但波峰之间的距离显著缩小。涉及块晶体的技术限制约97%的红外光到其波长。
论文的共同首席作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授徐瑞娟解释道：“这种行为之前只是一个理论，但我们通过创新性地制备薄膜膜和新颖使用同步辐射近场光谱首次在实验上证明了这一点。”
在这项研究中，研究人员专注于过渡金属钙钛矿材料。具体来说，研究人员利用脉冲激光沉积技术在真空腔室中创造了一种100纳米厚的钛酸锶（SrTiO3）晶体膜。该薄膜具有高质量的晶体结构，缺陷极少。生长后，薄膜从原始基底上脱离，并转移到硅基底的二氧化硅表面。
随后，团队利用劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源对钛酸锶薄膜进行同步辐射近场光谱研究，同时将其暴露于红外光中。这使研究人员能够准确研究该薄膜的行为，成功捕捉到材料与红外光在纳米尺度上的相互作用。
为了理解研究人员的发现，我们必须深入探讨声子、光子和极化子的概念。声子和光子都是能量在材料内部和之间移动的载体。声子本质上是由于原子振动而产生的能量波，而光子是电磁能量的波。声子可以被看作是声能量的单元，而光子是光能量的单元。声子极化子是当红外光子与“光学”声子结合时产生的准粒子，后者是指能反射或吸收光的声子。
“理论论文提出了过渡金属钙钛矿氧化物膜能够通过声子极化子限制红外光的想法，”刘解释道。“我们的研究现在表明，声子极化子能够限制光子，防止它们超出材料的表面扩散。
“这项研究建立了一类新的光学材料用于控制红外光，这可能在光子学、传感器和热管理等方面具有潜在应用，”刘补充道。“想象一下设计计算机芯片的可能性，这些芯片可以利用这些材料。”研究团队找到了一种生产薄膜的方法，使其能够以红外光的形式释放热量。这种方法非常重要，因为它使薄膜能够轻松地与各种表面集成，从而使它们可以在广泛的设备中使用。该研究得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。
