突破性晶体让科学家能用光“书写”纳米级图案

一支科学家团队发现了一种可利用普通光重塑和编程的晶体，为构建光学技术开辟了全新路径。

XPANCEO新兴技术研究中心的研究人员与诺贝尔奖得主Konstantin Novoselov教授（曼彻斯特大学与新加坡国立大学）合作，在三硫化二砷（As₂S₃）这一晶体范德华半导体中发现了异常的光学行为。他们的研究表明，这种材料可被光永久性改变，甚至可以借助简单的连续波光在纳米尺度上进行塑形。这一方法无需昂贵的超净间光刻或先进的飞秒激光系统。

理解折射率与光折变性

这一发现背后的关键特性是折射率，它决定着材料弯折或减缓光的程度。折射率越高的材料，在光学系统中导光能力越强。在某些情况下，光本身就能改变这一属性，这种效应被称为光折变性，即光照使材料的折射率发生改变。

晶体三硫化二砷即使在低强度紫外光下也展现出此效应。研究中，该材料呈现出极大的光致折射率变化（高达Δn ≈ 0.3），明显高于钛酸钡或铌酸锂等已知光折变材料通常报道的数值。

直接用光书写光学功能

具有强光折变响应的材料，能够直接用光在材料内部创造光学功能。无需依赖复杂的制造步骤，光便可界定材料与光信号的互动方式。

这一能力支撑起广泛的应用，例如在电信设备中形成导光微型结构，为传感器和成像系统制造衍射元件，以及生成用于安全与认证的全息图样特征，让光学图案本身成为独一无二的标识符。

纳米级图案与光学指纹

在三硫化二砷中，这些效应在极其精细的尺度上发挥作用。强烈的折射率变化能够在透明材料内部形成高度精细的图案。这些图案可充当难以复制的“光学指纹”，因而非常适用于防伪和溯源。

为展示这一控制水平，研究人员使用标准激光器在一片薄薄的材料上，“雕刻”出一幅阿尔伯特·爱因斯坦的微观单色肖像，点间距为700纳米。进一步的实验展示出更高的分辨率（约每英寸50000点，对应点间距500纳米）。由于光致折射率变化，这些图案展现出强烈的对比度，可通过光学方法清晰读取。

光驱动材料与未来光子学

“新功能材料的发现，特别是在独特的范德华晶体家族中，是推动整个光子学领域前进的根本引擎。开发先进的智能隐形眼镜等复杂光学器件，是一项极复杂的挑战，需要扎实的基础材料科学根基。在这些系统中，材料本身就是决定哪些物理极限可以实现的关键组件。通过识别出具有这种灵敏度的天然晶体，我们实际上是为完全由光而非电驱动的新一代技术提供了基本构建模块。”XPANCEO新兴技术研究中心创始人兼首席技术官Valentyn Volkov表示。

晶体膨胀催生新型光学器件

除了改变光学特性，三硫化二砷在光照下还会发生物理膨胀。该材料最多可膨胀5%，这使得研究人员能够直接在其表面形成微透镜和光栅等结构。

这些能力对于开发用于增强现实眼镜和智能隐形眼镜的宽视场波导至关重要。此外，该材料的灵敏度使其成为光子电路和纳米级传感器的强有力候选者。这些特性加在一起，标志着人类在面向未来技术时，控制和操控光的能力迈出了重要一步。

相关链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2531552123