玻璃的原子級別高壓處理降低衰減

研究人員在 journal npj Computational Materials雜志上報告，通過在高壓下生產(chǎn)由石英玻璃制成的光纖，可以改善光纖數(shù)據(jù)傳輸。使用計算機仿真，北海道大學（Hokkaido University），賓夕法尼亞州立大學（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衰減可以減少50％，可以極大延長數(shù)據(jù)傳輸距離，減少放大器的使用。 北海道大學電子科學研究所副教授小野真香（Madoka Ono）說：“由于缺乏對原子級材料的了解，近年來對光學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：通過改變壓力，優(yōu)化材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)）可以指導未來的物理實驗和生產(chǎn)過程，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)信號在到達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?？茖W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)光纖的基礎材料，光在波導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理。

Ono和合作者使用多種計算方法來預測高溫高壓下石英玻璃的原子結(jié)構(gòu)會發(fā)生什么。發(fā)現(xiàn)在低壓下將玻璃加熱然后冷卻時，會在二氧化硅原子之間形成較大的空隙（void），這稱為淬火（quenching）。但是，當此過程發(fā)生在4吉帕斯卡（GPa）以下時，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，這些空隙會導致光散射，并將信號損失減少50％以上。

當玻璃在較高壓力下淬火時，石英玻璃中的空隙（黃色）會導致光的散射和信號的降解，變得越來越小

研究人員懷疑，在較高壓力下使用較低的冷卻速度可以實現(xiàn)更大的改進。對于具有相似結(jié)構(gòu)的其他類型的無機玻璃，也可以探索該方法。但是，實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：“現(xiàn)在我們知道理想的壓力，我們希望這項研究將有助于推動能夠生產(chǎn)這種超透明石英玻璃的高壓制造設備的發(fā)展?！?/p>

小野（Madoka Ono）是北海道大學RIES納米結(jié)構(gòu)功能材料實驗室的一部分。她的研究主要通過實驗室實驗和計算分析來研究非有機玻璃和石英玻璃的性能。