玻璃的原子级别高压处理降低衰减

研究人员在 journal npj Computational Materials杂志上报告，通过在高压下生产由石英玻璃制成的光纤，可以改善光纤数据传输。使用计算机仿真，北海道大学（Hokkaido University），宾夕法尼亚州立大学（ThePennsylvania State University）的研究人员及其行业合作伙伴从理论上表明，石英玻璃纤维的信号衰减可以减少50％，可以极大延长数据传输距离，减少放大器的使用。 北海道大学电子科学研究所副教授小野真香（Madoka Ono）说：“由于缺乏对原子级材料的了解，近年来对光学通讯最重要的材料石英玻璃的优化停滞了。” “我们的发现（本文内容：通过改变压力，优化材料内部结构）可以指导未来的物理实验和生产过程，尽管技术上还存在一定的挑战。” 光纤已经彻底改变了全球的高带宽，长距离通信。承载所有这些信息的光缆主要由石英玻璃纤维制成。该材料坚固、灵活、柔软，非常适合以光的形式低成本传输信息。但是由于光被材料散射，数据信号在到达其最终目的地之前逐渐减弱。放大器（amplifier）或其他工具用于在信息减弱之前中继，以确保信息成功传递。科学家们正在寻求减少瑞利散射（Rayleigh scattering）造成的光衰减，以帮助加速数据传输并更接近量子通信。 玻璃材料是常规光纤的基础材料，光在波导纤维中传输必然受到瑞利散射的影响，这是造成光传输衰减的重要机理。

Ono和合作者使用多种计算方法来预测高温高压下石英玻璃的原子结构会发生什么。发现在低压下将玻璃加热然后冷却时，会在二氧化硅原子之间形成较大的空隙（void），这称为淬火（quenching）。但是，当此过程发生在4吉帕斯卡（GPa）以下时，大多数大空隙消失了，玻璃呈现出更加均匀的晶格结构。

具体描述，模型显示玻璃经历了物理转变，原子的较小环（smaller rings of atoms）被消除（eliminated）或“修剪”（ “pruned”），从而使较大的环更紧密地连接在一起。这有助于减少大的空隙的数量和空隙的平均大小，这些空隙会导致光散射，并将信号损失减少50％以上。

当玻璃在较高压力下淬火时，石英玻璃中的空隙（黄色）会导致光的散射和信号的降解，变得越来越小

研究人员怀疑，在较高压力下使用较低的冷却速度可以实现更大的改进。对于具有相似结构的其他类型的无机玻璃，也可以探索该方法。但是，实际上很难在如此高压下以工业规模制造玻璃纤维。

小野说：“现在我们知道理想的压力，我们希望这项研究将有助于推动能够生产这种超透明石英玻璃的高压制造设备的发展。”

小野（Madoka Ono）是北海道大学RIES纳米结构功能材料实验室的一部分。她的研究主要通过实验室实验和计算分析来研究非有机玻璃和石英玻璃的性能。

审核编辑：彭静