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首次发现无定形固体中的二向色性

科学探索万象经验2024-04-17

光与固体的相互作用是物理学和材料科学中的一个基本概念。这种相互作用中的一个关键特性是二向色性,即材料对不同偏振的光具有选择性吸收。这种现象在晶体固体中得到了很好的理解,因为原子有序的排列决定了它们对光的响应。然而,对于缺乏长程秩序的无定形固体,固有二向色性的存在一直是一个争论的话题。最近的一项突破性研究利用螺旋光颠覆了这种传统认识,揭示了固有二向色性是晶体和无定形固体的一种普遍特性。

晶体固体的特点是高度有序的原子结构,在三维空间中周期性重复。这种秩序允许对光进行可预测的相互作用,因为光波具有能与材料中的电子相互作用的电磁场。在某些材料中,原子的排列会导致电子更容易受到特定方向的电场的影响,这种优先吸收导致了二向色性。例如,某些晶体可能更容易吸收垂直偏振的光,而不是水平偏振的光。

另一方面,无定形固体具有更混乱的原子结构。与晶体不同,它们缺乏长程秩序,这意味着原子的排列不会以可预测的方式重复。这种固有的无序导致了普遍的认知,即无定形固体不会表现出固有二向色性。它们被认为是各向同性的,这意味着它们的性质与方向无关。

最近发表在《自然通讯》上的一项研究对这种长期存在的信念提出了挑战。他们的关键创新在于使用螺旋光束。这些光束是一种类型的偏振光,会扭曲,携带一种称为轨道角动量 (OAM) 的独特属性。OAM 与光波的相位相关联,并决定了光如何在微观层面上与材料相互作用。

通过将螺旋光束照射在晶体和无定形固体上,研究人员观察到一个令人惊讶的现象:这两种类型的材料都表现出二向色性。这表明即使在缺乏长程秩序的情况下,无定形固体也具有一定程度的短程秩序,其中短距离的原子排列会影响与光的相互作用。具有独特 OAM 的螺旋光能够探测这种隐藏的秩序,并揭示这些材料中的固有二向色性。

这一发现具有重大意义,它为理解无定形固体的复杂性开辟了新途径。这些材料无处不在,从塑料和玻璃到药物和生物组织。通过利用螺旋光,科学家可以更深入地了解这些材料的局部结构和性质,这可能导致开发具有定制功能的新型材料。

此外,使用 OAM 光束操纵光的能力为新应用打开了大门。螺旋光可用于选择性地控制光在无定形材料中的流动,为光通信和数据存储等领域的发展铺平道路。

综上所述,利用螺旋光在无定形固体中发现固有二向色性,标志着我们对光物质相互作用理解的范式转变。它挑战了对这些材料行为的传统观念,并为未来的研究和开发开辟了令人兴奋的可能性。通过利用螺旋光的独特特性,科学家可以揭开无定形固体中的隐藏秩序,并释放其在技术进步方面的全部潜力。