全世界最小的剪纸：MIT中国科学家首次用剪纸打造纳米光学器件

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古老的剪纸艺术与现代纳米材料科学的结合，孕育出一个新兴研究领域——纳米剪纸（nanokirigami）。科学家以离子束为剪，在纳米尺度的平面材料上创造着精妙且具有广泛应用前景的立体图案。

近日，麻省理工学院机械工程系的方绚莱（Nicholas Fang）教授联合其他中国研究人员，在《科学进展》（Science Advances） 期刊上发表了最新发现。他们首次应用纳米剪纸技术造出纳米尺度的光学器件。这项研究也为更多光通讯和计算设备提供了可能。

方绚莱（图片来源：MIT官网）

方绚莱团队用聚焦离子束切割仅有几十纳米厚的金属箔片。低剂量的离子束会使金属的晶体结构产生空隙，一些离子留在晶体中，使其结构变形，从而产生压力引起箔片的扭曲。

这些几百纳米宽的风车叶片通过不同的旋转方向，可以选择过滤“左旋”或是“右旋”的圆偏振光（circularly polarized light）。

用离子光束辐照而一步成型的三种不同结构

在纸上手工刀刻的中国传统拉花（上）与研究中用离子束光刻出的相同图案（下）

舌状结构形成过程（右图为各处所受应力情况）

花状结构

蜘蛛网状结构

同心弧结构

蜘蛛网状（左）及同心弧（右）结构形成过程

三重斐波纳契螺旋

窗花状

可变形的螺旋

一列风车结构同时向上屈曲

更多奇异的形状…

双斐波那契螺旋组合

互相勾连的窗花状纳米屏障

在不同剂量的离子束照射后的可变形螺旋

异质结构螺旋的组合

方绚莱表示，在此之前，这类研究用到的折叠步骤较为复杂，且成品主要用于机械而非光学领域。相较而言，他们的设备可以一步成型，并且具有多种光学用途。

这种技术足够简单，其他研究者可以用他们的数学模型，从预期的光学特性中逆推所需的剪纸样式，而不是像之前用直觉来剪出想要的结果。

圆偏振也可使多束激光在不互相干扰的情况下，穿过光纤电缆。方教授说，人们一直在寻找这种叫作“光频隔离器”的设备，来更好地实现激光通讯系统，现在他们证明了这可以被制成纳米尺寸。

虽然还需要更多的研究工作，这些设备都比常规的类似设备小几个量级，所以这些进步可以产生更复杂的光学芯片，用于计算，传感，以及通讯系统或生物医学设备。

原始论文：

http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaat4436

参考链接：

http://news.mit.edu/2018/kirigami-inspired-technique-manipulates-light-nanoscale-0706