玻璃的原子級(jí)別高壓處理降低衰減

研究人員在 journal npj Computational Materials雜志上報(bào)告，通過(guò)在高壓下生產(chǎn)由石英玻璃制成的光纖，可以改善光纖數(shù)據(jù)傳輸。使用計(jì)算機(jī)仿真，北海道大學(xué)（Hokkaido University），賓夕法尼亞州立大學(xué)（ThePennsylvania State University）的研究人員及其行業(yè)合作伙伴從理論上表明，石英玻璃纖維的信號(hào)衰減可以減少50％，可以極大延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離，減少放大器的使用。 北海道大學(xué)電子科學(xué)研究所副教授小野真香（Madoka Ono）說(shuō)：“由于缺乏對(duì)原子級(jí)材料的了解，近年來(lái)對(duì)光學(xué)通訊最重要的材料石英玻璃的優(yōu)化停滯了?！?“我們的發(fā)現(xiàn)（本文內(nèi)容：通過(guò)改變壓力，優(yōu)化材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)）可以指導(dǎo)未來(lái)的物理實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程，盡管技術(shù)上還存在一定的挑戰(zhàn)?！? 光纖已經(jīng)徹底改變了全球的高帶寬，長(zhǎng)距離通信。承載所有這些信息的光纜主要由石英玻璃纖維制成。該材料堅(jiān)固、靈活、柔軟，非常適合以光的形式低成本傳輸信息。但是由于光被材料散射，數(shù)據(jù)信號(hào)在到達(dá)其最終目的地之前逐漸減弱。放大器（amplifier）或其他工具用于在信息減弱之前中繼，以確保信息成功傳遞。科學(xué)家們正在尋求減少瑞利散射（Rayleigh scattering）造成的光衰減，以幫助加速數(shù)據(jù)傳輸并更接近量子通信。 玻璃材料是常規(guī)光纖的基礎(chǔ)材料，光在波導(dǎo)纖維中傳輸必然受到瑞利散射的影響，這是造成光傳輸衰減的重要機(jī)理。

Ono和合作者使用多種計(jì)算方法來(lái)預(yù)測(cè)高溫高壓下石英玻璃的原子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生什么。發(fā)現(xiàn)在低壓下將玻璃加熱然后冷卻時(shí)，會(huì)在二氧化硅原子之間形成較大的空隙（void），這稱(chēng)為淬火（quenching）。但是，當(dāng)此過(guò)程發(fā)生在4吉帕斯卡（GPa）以下時(shí)，大多數(shù)大空隙消失了，玻璃呈現(xiàn)出更加均勻的晶格結(jié)構(gòu)。

具體描述，模型顯示玻璃經(jīng)歷了物理轉(zhuǎn)變，原子的較小環(huán)（smaller rings of atoms）被消除（eliminated）或“修剪”（ “pruned”），從而使較大的環(huán)更緊密地連接在一起。這有助于減少大的空隙的數(shù)量和空隙的平均大小，這些空隙會(huì)導(dǎo)致光散射，并將信號(hào)損失減少50％以上。

當(dāng)玻璃在較高壓力下淬火時(shí)，石英玻璃中的空隙（黃色）會(huì)導(dǎo)致光的散射和信號(hào)的降解，變得越來(lái)越小

研究人員懷疑，在較高壓力下使用較低的冷卻速度可以實(shí)現(xiàn)更大的改進(jìn)。對(duì)于具有相似結(jié)構(gòu)的其他類(lèi)型的無(wú)機(jī)玻璃，也可以探索該方法。但是，實(shí)際上很難在如此高壓下以工業(yè)規(guī)模制造玻璃纖維。

小野說(shuō)：“現(xiàn)在我們知道理想的壓力，我們希望這項(xiàng)研究將有助于推動(dòng)能夠生產(chǎn)這種超透明石英玻璃的高壓制造設(shè)備的發(fā)展。”

小野（Madoka Ono）是北海道大學(xué)RIES納米結(jié)構(gòu)功能材料實(shí)驗(yàn)室的一部分。她的研究主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析來(lái)研究非有機(jī)玻璃和石英玻璃的性能。