我们大多数人都在不知不觉中控制着光线，通常是通过一些世俗的方式:我们戴上太阳镜，涂上防晒霜，关上或打开百叶窗。
但是对光线的控制也可以采用高科技的形式。你正在阅读的电脑、平板电脑或手机的屏幕就是一个例子。另一个是电信技术，它通过控制光线来产生信号，并通过光纤传输数据。
科学家们也在实验室中使用高科技方法来控制光线。现在，多亏了一项新的突破，使用了一种只有三个原子厚的特殊材料，他们可以比以往任何时候都更精确地控制光线。
这项工作是在哈里·阿特沃特的实验室中进行的，哈里·阿特沃特是工程和应用科学部奥蒂斯·布斯领导主席，霍华德·休斯应用物理和材料科学教授，液体阳光联盟(LiSA)主任。这篇论文发表在10月22日出版的《科学》杂志上。
要理解这种工作，首先要记住光是以波的形式存在的，它有一种被称为偏振的特性，偏振描述了波振动的方向。想象一下在一艘漂浮在海洋上的船:海浪具有垂直极化，这意味着当海浪通过船下时，它会上下波动。光波的行为与此基本相同，只是光波可以在任何角度偏振光。如果一艘船能够驾驭光波，它可能会左右摆动，或者沿着对角线摆动，甚至以螺旋的方式摆动。
偏振是指波(包括光)振动的方向。偏振角度可以改变。
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偏振很有用，因为它能以特定的方式控制光线。例如，你的太阳镜的镜片可以阻挡眩光(当光线从表面反射时，比如汽车的窗户，光线就会偏光)。台式计算器的屏幕通过偏振光产生清晰的数字，并在某些区域阻挡它。那些偏振光被阻挡的区域显得暗，而光线没有被阻挡的区域则显得亮。
一种计算器的显示，它使用偏振光的属性来创建可作为数字和其他图形阅读的明暗区域。
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在这篇论文中，阿特沃特和他的合著者描述了他们如何使用三层磷原子来创造一种可调、精确且极薄的偏振光材料。
这种材料是由所谓的黑磷构成的，它在许多方面与石墨或石墨烯相似，石墨烯是由单原子层组成的碳。但石墨烯的层是完全平坦的，而黑磷的层是有棱纹的，就像一条灯芯绒裤子或瓦楞纸板的纹理。(磷也有红色、白色和紫色的形式，这是因为它内部原子的排列方式不同。)
阿特沃特说，这种晶体结构使得黑磷具有显著的各向异性光学性质。“各向异性意味着它与角度有关，”他解释道。“在像石墨烯这样的材料中，无论偏振光的角度如何，光都会被均匀吸收和反射。黑磷在这个意义上是非常不同的，如果光的偏振沿着波状排列，它会有一个非常不同的响应，如果它垂直于波状排列。
当偏振光面向整个干硬后在黑磷,它与物质相互作用时不同面向的corrugations-kind像如何更容易擦你的手沿肋骨灯芯绒比擦你的手在他们。
黑色磷片，很像这种灯芯绒织物，是罗纹的。
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然而，许多材料都能使光偏振光，而这种能力本身并不是特别有用。阿特沃特说，黑磷的特殊之处在于它也是一种半导体材料，这种材料的导电性比玻璃等绝缘体好，但不如铜等金属。微芯片中的硅就是半导体的一个例子。就像用硅制成的微小结构可以控制微芯片中的电流一样，用黑磷制成的结构可以控制电信号施加到它们身上时光的偏振。
“这些微小的结构正在进行偏振转换，”阿特沃特说，“所以现在我可以做出非常薄和可调谐的东西，在纳米尺度上。”我可以把这些小元素排成一列，每一个都可以把偏振转换成不同的反射偏振状态。”
手机屏幕和电视中的液晶显示(LCD)技术已经具备了其中的一些能力，但黑磷技术有可能远远领先于它。黑色磷阵列的“像素”可能比lcd的小20倍，但对输入的响应速度却快一百万倍。
阿特沃特说，这样的速度对于在线看电影或阅读一篇文章来说并不是必要的，但它们可能会给电信行业带来革命。在电信设备中，光信号是通过光纤传输的，在这些信号开始相互干扰、压倒、干扰之前，光纤只能传输一定数量的信号(如图，在拥挤嘈杂的酒吧里，试图听清一个朋友在说什么)。但是，一种基于薄层黑磷的电信设备可以调整每个信号的极化，从而互不干扰。这将使光纤电缆能够比现在传输更多的数据。
阿特沃特说，这项技术还可能为基于光的Wi-Fi替代品打开大门，该领域的研究人员将其称为Li-Fi。
“我们将越来越多地关注自由空间的光波通信，”他说。“像我桌子上方这盏看起来很酷的灯一样照明，它不携带任何通信信号。它只是提供光。但你没有理由不能坐在未来的星巴克里，让你的笔记本电脑接收光信号进行无线通信，而不是无线电信号。它现在还没有普及，但一旦普及，它将至少比Wi-Fi快100倍。”
描述这项工作的论文标题是“宽带电光偏振转换与原子薄黑磷。”主要作者是应用物理学研究生苏维克·比斯瓦斯(Souvik Biswas)。其他共同作者是Meir Y. Grajower，应用物理和材料科学博士后学者助理研究员，以及日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。
比斯瓦斯说:“这是发现新材料的激动人心的时刻，这些新材料可以塑造光子器件的未来，而我们仅仅触及了表面。”“如果有一天你能买到一种由如此薄的原子材料制成的商业产品，那将是令人满意的，而这一天可能离我们不远了。”
这项研究的资金由美国能源部提供;日本文部科学省;日本科学促进协会;以及日本科学技术振兴院。
