در دماهای پایین، بلورهای لیتیم نیکل فسفات، نور فرو سرخ با طول موج کوتاه را در یک جهت بسیار قویتر از جهت دیگر عبور می دهند.

یک بلور می تواند به عنوان یک دیود اپتیکی- یعنی یک گیت کنترل نور-به کار رود، اگر نور را فقط در یک جهت عبور دهد. مواد مختلفی به عنوان دیودهای اپتیکی برای نور مرئی عمل می کنند، اما یافتن چیزی که برای طول موج های فروسرخِ نزدیک و مورد استفاده در مخابرات عمل کند، چالش برانگیز بوده است. اکنون کِنتا کیمورا Kenta Kimura از دانشگاه متروپولیتن اوزاکا و تسویوشی کیمورا Tsuyoshi Kimura از دانشگاه توکیو، یک اثر دیود اپتیکی(ODE) قوی در محدوده فروسرخ را برای لیتیم نیکل فسفات (LiNiPO₄) به نمایش گذاشته اند[1]. اثر دیود اپتیکی مشاهده شده، برگشت پذیر است که کیمورا و کیمورا می گویند مسیری برای دستیابی به شفافیت یک طرفه دائمی و قابل سوئیچ هموار می کند.

سلول واحد LiNiPO₄ دارای چهار یون نیکل است که هر یک از آنها توسط شش یون اکسیژن احاطه شده است. در دمای زیر 20.8 کلوین، اسپین های دو یون نیکل در یک جهت و اسپین های دو یون دیگر در جهت مخالف قرار می گیرند که تقارنهای وارونی فضایی و زمان را که لازمه ای برای یک اثر دیود اپتیکی قوی میباشد، می شکند. یک اثر دیود اپتیکی قوی همچنین نیاز دارد که گذارهای دو قطبی الکتریکی و مغناطیسی به اندازه کافی از نظر قدرت به هم نزدیک باشند که وقتی نور این گذارها را برانگیخته می کند، تداخل متقابل هر دوی آنها را خنثی کند. به لطف تقارن های شکسته شده، خنثی شدن- و همراه با آن عبور نور- در یک جهت رخ می دهد اما در جهت مخالف نه.

کیمورا و کیمورا دریافتند که گذارهای دو قطبی الکتریکی- و مغناطیسی- در نیکل نزدیک هستند و در محدوده فروسرخِ نزدیک واقع می شوند. آنها بلورهای LiNiPO₄ را رشد داده و دریافتند که جذب در امتداد یک محور بلور تا حدود 2.3 بار بیشتر در یک جهت نسبت به جهت دیگر است. اثر دیود اپتیکی برای طول موج های 1410 نانومتر تا حداقل 1690 نانومتر وجود داشت. اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی، اسپین ها را وارون کرد و اثر دیود اپتیکی را معکوس کرد؛ اثری که هم وارون پذیر و هم قابل تکرار است.

1. K. Kimura and T. Kimura, “Nonvolatile switching of large nonreciprocal optical absorption at shortwave infrared wavelengths,” Phys. Rev. Lett. 132, 036901 (2024).

منبع:

A Large Optical-Diode Effect at Telecom Frequencies