这种泡沫可以操纵光-可以启用使用光执行计算的光电晶体管

普林斯顿大学的研究人员结合了化学，物理和材料科学，发现一种泡沫可以选择性地阻挡光，这对于下一代使用光而不是电进行计算的设备很重要。上面的泡沫计算机模型显示了特定范围的光能（以蓝色表示）穿过材料而没有穿过（以红色显示）的区域。

泡沫比眼睛能见到的更多。字面上地。普林斯顿大学科学家的一项研究表明，科学家们长期研究的一种泡沫能够阻挡特定波长的光，这对于使用光代替电的下一代信息技术来说是令人垂涎的特性。

研究人员整合了材料科学，化学和物理学的专业知识，对称为Weaire-Phelan泡沫的结构进行了详尽的计算模拟。他们发现，这种泡沫将允许某些频率的光通过，同时完全反射其他频率。这种选择性阻挡称为光子带隙，类似于半导体的行为，这是所有现代电子设备背后的基岩材料，因为它能够以极小的比例控制电子流。

与无序的啤酒泡沫不同，Weaire-Phelan泡沫是一种结构精确的结构，在数学和物理领域具有深厚的渊源。

普林斯顿材料科学与技术研究所化学教授萨尔瓦托·托夸托说：“这具有我们想要的特性：在一定频率范围内的全向反射镜。”刘易斯·伯纳德自然科学教授托奎托于2019年11月6日在《美国国家科学院院刊》上发表了研究结果，合著者是博士后研究员迈克尔·克拉特（Michael Klatt）和普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦科学教授的物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）。

普林斯顿大学的研究人员结合了化学，物理和材料科学，发现一种泡沫可以选择性地阻挡光，这对于下一代使用光而不是电进行计算的设备很重要。该视频描述了泡沫的计算机模型，以及特定范围（波段）的光能（以蓝色表示）穿过材料而没有穿过泡沫（以红色显示）的区域和计算机模型。

尽管先前已经在各种类型的晶体中显示了许多光子带隙的例子，但研究人员认为，他们的新发现是泡沫中的第一个例子，类似于肥皂泡或生啤酒的泡沫。与无序的啤酒泡沫不同，Weaire-Phelan泡沫是一种结构精确的结构，在数学和物理领域具有深厚的渊源。

“您从几何学，数学上的经典，漂亮的问题开始，现在突然有了这种材料，从而打开了光子带隙。”—萨尔瓦托·托尔夸托（Salvatore Torquato）

Weaire-Phelan泡沫的起源可追溯到1887年，当时苏格兰物理学家Lord Kelvin提出了一种“醚”的结构，这种神秘物质后来被认为是所有空间的背景结构。尽管当时以太的概念早已不受欢迎，但开尔文提出的泡沫一直吸引着数学家一个世纪，因为它似乎是用表面积最小的互锁几何形状填充空间的最有效方法。 。

1993年，物理学家Denis Weaire和Robert Phelan发现了另一种需要较小表面积的布置。从那时起，人们对Weaire-Phelan结构的兴趣主要集中在数学，物理学和艺术界。该结构被用作为2008年奥运会创建的“北京水立方”的外墙。现在，新发现使材料科学家和技术人员感兴趣的结构。

“您从几何学，数学上的经典，漂亮的问题开始，现在突然有了这种可以打开光子带隙的材料，” Torquato说。

Torquato，Klatt和Steinhardt对Weaire-Phelan泡沫感兴趣，这是另一个项目的切线，在该项目中，他们正在研究“超均匀”无序材料，以控制光的创新方法。尽管这不是他们最初的重点，但三人意识到这种结构精确的泡沫具有吸引人的特性。

“一点一点，很明显这里有些有趣的事情，”托夸托说。“最后，我们说，‘好吧，让我们将主要项目搁置一会儿以实现这一目标。”

克拉特补充说：“总是要注意研究的方向。”

韦尔（Weaire）并未参与这项新发现，他说，普林斯顿的发现是自从他和费兰发现后对该材料产生的广泛兴趣的一部分。他说，光学中可能的新用途很可能是由于材料的各向同性非常强，或者没有强烈的方向性。

“它具有光子能带隙的事实非常有趣，因为它具有许多特殊性质，”获得博士学位的泡沫专家安德鲁·克雷尼克（Andrew Kraynik）说。 1977年获得普林斯顿大学化学工程专业的博士学位，曾对Weaire-Phelan泡沫材料进行过广泛研究，但并未参与普林斯顿大学的研究。Kraynik说，与普林斯顿大学的另一种联系是，发现和分析Weaire-Phelan泡沫的关键工具是一个名为Surface Evolver的软件工具，该工具根据形状的表面特性优化形状，由肯·布拉克（Ken Brakke）撰写，他获得了博士学位。 。 1975年在普林斯顿大学获得数学博士学位。

为了显示Weaire-Phelan泡沫具有他们所寻求的控制光的性能，Klatt开发了一套精确的计算方法，并在普林斯顿计算科学与工程学院的超级计算设备上进行了计算。

“他必须运行的程序实际上是计算密集型的，” Torquato说。

研究人员说，这项工作为进一步发明开辟了许多可能性，他们将新工作领域称为“光子学”（“泡沫”和“光子学”的混合体）。由于泡沫是天然存在的并且相对容易制造，因此一个可能的目标是哄骗原材料自组织成Weaire-Phelan泡沫的精确排列，Torquato说。

随着进一步的发展，泡沫可以传输和操纵电信中使用的光。当前，穿越互联网的许多数据是由玻璃纤维承载的。但是，在目的地，光会转换回电。光子带隙材料可以比传统的光纤电缆更精确地引导光，并且可以用作使用光执行计算的光学晶体管。

“谁知道？”托奎托说。“一旦有了这个结果，那么它将为未来带来实验挑战。”

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参考：Michael A. Klatt，Paul J. Steinhardt和Salvatore Torquato撰写的“光子学设计产生了巨大的3D光子带隙”，2019年11月6日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.1912730116