未來應(yīng)用潛力廣泛

冰的分子結(jié)構(gòu)隨壓強(qiáng)改變而發(fā)生相變，一直是研究者們感興趣的問題。但是，由于產(chǎn)生相變所需的壓強(qiáng)通常在數(shù)千個(gè)大氣壓以上，需要使用特殊設(shè)計(jì)的金剛石壓砧等設(shè)備來獲得，實(shí)現(xiàn)條件不易。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過大應(yīng)變彎曲冰微納光纖，有可能為相變所需的高壓提供一種簡(jiǎn)單的解決方案�！袄�曼光譜是檢測(cè)相變最靈敏的方法之一，我們現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在光譜測(cè)量技術(shù)方面有很好的基礎(chǔ)。”郭欣說。為此，研究團(tuán)隊(duì)研制了一套結(jié)合低溫微納操控的原位顯微拉曼光譜測(cè)量系統(tǒng)，通過彈性彎曲冰微納光纖并原位實(shí)時(shí)測(cè)量最大應(yīng)變區(qū)域的拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變超過3%時(shí)，就可以出現(xiàn)冰從Ih相（常壓相）轉(zhuǎn)變?yōu)镮I相（高壓相之一）的特征拉曼峰。同時(shí)，通過彈性彎曲還可以為冰施加超過一萬個(gè)大氣壓的負(fù)壓，這是目前其他實(shí)驗(yàn)方法難以做到的。因此，上述彈性彎曲技術(shù)為冰的相變動(dòng)力學(xué)研究提供了一種新的實(shí)驗(yàn)方法。

更進(jìn)一步，材料對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)特性取決于其組成元素、分子結(jié)構(gòu)及其排列方式。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，由H2O分子規(guī)則排列而成的冰單晶微納光纖，在光的操控方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。為了測(cè)試其光學(xué)特性，團(tuán)隊(duì)利用其此前發(fā)明的近場(chǎng)耦合輸入技術(shù)，在可見光波段實(shí)現(xiàn)了冰微納光纖的寬帶光傳輸，傳輸損耗低達(dá)0.2dB/cm，與目前高質(zhì)量平面波導(dǎo)相當(dāng)，這種光操控能力為微納光纖用于低溫光學(xué)導(dǎo)波與傳感提供了新的技術(shù)可能。由于理想冰單晶在可見光波段具有極低的吸收和散射特性，進(jìn)一步優(yōu)化制備和測(cè)試條件，將有可能在冰微納光纖實(shí)現(xiàn)超低損耗光傳輸。

圖3 冰微納光纖導(dǎo)光示意圖（左圖）及光學(xué)顯微鏡下的寬帶光傳輸實(shí)驗(yàn)照片（右圖）

論文評(píng)審專家認(rèn)為這項(xiàng)研究是“對(duì)冰物理認(rèn)識(shí)的重大進(jìn)步”，所展現(xiàn)的力學(xué)和光學(xué)特性“無疑是有趣的、獨(dú)特的，具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值”。

童利民認(rèn)為，對(duì)于冰這樣一種自然界中最普遍、但又最神奇的物質(zhì)，相信該項(xiàng)研究結(jié)果將拓展人們對(duì)冰的認(rèn)知邊界，激發(fā)人們開展冰基光纖在光傳輸、光傳感、冰物理學(xué)等方面的研究，以及發(fā)展適用于特殊環(huán)境的微納尺度冰基技術(shù)。

該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFB2200404）、國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目（11527901）、浙江省杰出青年科學(xué)基金（LR21F050002）及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目等支持。