在1950年代，晶体管取代了计算机中的真空管时，电子领域开始发生变化。这种变化需要用大而快的组件替换大而慢的组件，这是持久的计算机设计小型化趋势的催化剂。红外光学领域尚未发生过这样的革命，红外光学领域仍然依赖于体积庞大的运动部件，因此无法构建小型系统。

但是，麻省理工学院林肯实验室的一组研究人员与胡觉军教授 以及麻省理工学院 材料科学与工程系的研究生一起，正在研究一种通过使用相变材料而不是移动部件来控制红外光的方法。当添加能量时，这些材料具有改变其光学性质的能力。

胡说：“这种材料可以通过多种可能的方式来启用影响人们生活的新型光子器件。” “例如，它对于节能型光交换机很有用，它可以提高网络速度并减少互联网数据中心的功耗。它可以启用可重新配置的元光学设备，例如不带机械运动部件的紧凑型扁平红外变焦镜头。它也可以带来新的计算系统，与当前的解决方案相比，它可以使机器学习更快，更节能。”

相变材料的基本特性是它们可以改变光通过它们的速度(折射率)。“已经有使用折射率变化来调制光的方法，但是相变材料的变化可以好将近1000倍，”实验室高级材料和微系统小组的成员Jeffrey Chou说。

该团队通过使用包含锗，锑，硒和碲元素的新型相变材料(统称为GSST)，成功地控制了多个系统中的红外光。 在Nature Communications 上发表的一篇论文中 讨论了这项工作 。

相变材料的魔力发生在将其原子束缚在一起的化学键中。在一种相态下，该材料是晶体，其原子排列成有组织的图案。可以通过在材料上施加短暂的高温热能峰来改变这种状态，从而使晶体中的键断裂，然后以更随机或无定形的形式重新形成。为了使材料变回结晶状态，施加了中长期的热能脉冲。

研究团队的另一位林肯实验室成员克里斯托弗·罗伯茨说：“化学键的这种变化允许出现不同的光学性质，类似于煤(无定形)和钻石(结晶)之间的差异。” “虽然两种材料主要都是碳，但它们的光学特性却大不相同。”

当前，相变材料用于工业应用，例如蓝光技术和可擦写DVD，因为它们的特性可用于存储和擦除大量信息。但是到目前为止，还没有人将它们用于红外光学系统，因为它们在一种状态下趋于透明而在另一种状态下趋于不透明。(想一想，钻石可以使光通过，而煤，其光不能穿透。)如果光不能通过一种状态，那么就不能在一系列用途中对光进行充分的控制。取而代之的是，系统只能像开/关开关那样工作，从而允许光线穿过材料或完全不穿过。

但是，研究小组发现，通过将硒元素添加到原始材料(称为GST)中，该材料在结晶相中对红外光的吸收急剧下降-实质上是将其从不透明的类煤材料变为更透明的材料像钻石一样。此外，两种状态的折射率差异很大，会影响光通过它们的传播。

罗伯茨说：“折射率的这种变化在不引入光学损耗的情况下，允许设计无需机械部件即可控制红外光的设备。”

例如，假设有一个激光束指向一个方向，并且需要更改为另一个方向。在当前系统中，大型机械万向架将物理地移动透镜以将光束转向另一个位置。由GSST制成的薄膜透镜可以通过对相变材料进行电编程来​​改变位置，从而无需任何移动部件即可进行光束转向。

该团队已经在移动镜头中成功测试了材料。他们还证明了其在红外高光谱成像中的用途，该红外高光谱成像用于分析图像中的隐藏对象或信息，以及在能够关闭纳秒级的快速光学快门中。

GSST的潜在用途是广泛的，该团队的最终目标是设计可重新配置的光学芯片，透镜和滤光片，目前，每次需要进行更改时，都必须从头开始对其进行重新构建。一旦团队准备将材料转移到研究阶段之外，就应该很容易将其过渡到商业领域。由于GSST组件已经与标准微电子制造工艺兼容，因此可以低成本大量生产。

最近，实验室获得了组合溅射室，这是一台先进的机器，可以使研究人员从单个元素中创建定制材料。该团队将使用该腔室进一步优化材料，以提高可靠性和开关速度，以及用于低功耗应用。他们还计划试验可能对控制可见光有用的其他材料。

该团队的下一步是仔细研究GSST的实际应用，并了解这些系统在功率，尺寸，开关速度和光学对比度方面需要什么。

“(这项研究的)影响是双重的，”胡说。相变材料与其他物理效应(例如，由电场或温度变化引起的)相比，具有显着增强的折射率变化，从而实现了极其紧凑的可重编程光学器件和电路。我们在这些材料中的双态光学透明性的展示也很重要，因为我们现在可以制造出光学损失最小的高性能红外组件。”胡先生继续说道，新材料有望在光电子领域开辟一个全新的设计空间。红外光学。