一种可在普通光照条件下改变折射率的二维材料

二硫化钽中的微小晶体在3D显示、虚拟现实，以及自动驾驶等热门领域发挥着重要作用。

据莱斯大学布朗工程学院的工程师Gururaj Naik和研究生Weijian Li说，这种材料的二维阵列具有独特的光学特性，可在常温条件、普通光照下操纵。

他们使用胶带在一大块样本上拉下一块二维薄片，并用光照射此长条形的薄片，流经材料电子的电荷密度波就会重新排列，从而改变其折射率。根据入射光的强度不同，沿着受影响轴方向出射的光也会随之改变颜色。

美国化学学会期刊Nano Letters上详细刊登了这一发现。

“在虚拟现实、3D显示、光学计算机和激光雷达等技术中，需要一种可以改变折射率的光学材料。”电子和计算机工程系的副教授Naik说。“而且这种材料的响应必须非常迅速才行。”

一种半导体层状化合物——二硫化钽似乎符合这些要求。已知该材料在室温下含有电荷密度波，因此可以调整其电导率；光照强度也会影响其折射率，且折射率与光穿过的速度定量相关。综合以上因素，这种材料的折射率可以在室温下调节。Naik说。

在光照下，钽层重组成12个原子的星形晶格，形状就像大卫王之星或警长徽章一样。这种结构促进了电荷密度流的产生。星形的堆叠方式决定了沿c轴方向是绝缘还是导电的。这同时也决定了其折射率。光照影响星形晶格的排列，改变电荷密度流，从而改变材料的光学常数。

图1 二硫化钽中的原子在光照下重新排列成六角星形。莱斯大学的研究人员说。这种现象可用于改变材料的折射率，在3D显示、虚拟现实以及自动驾驶的激光雷达系统中有应用前景。莱斯大学Weijian Li供图

“这种材料是一种强关联材料（strongly correlated material），即电子之间有非常强烈的相互作用，”Li说。“在这样的材料中，我们可以预测那些对特定外部刺激做出强烈反应的特性。”

Naik补充说，这种材料的优势在于，即使对于环境光这种柔和刺激也可以做出反应。他说：“这是我们所见的第一种材料，光不仅与单个粒子相互作用，而且可以同时与一组粒子相互作用。”这种现象存在于薄至10nm、厚至1mm的二硫化钽中。

Naik说:“在我们看来，这对于那些研究强相关材料的人来说是一个重要的发现。我们证实，光照是一个改变电子关联性在这类材料中延伸应用的强大旋钮。”