Két-dimenziós lamellás kristály, amely atomosan vékony ólom-jodid (PbI) rétegekből áll2) olyan új generációs áramkörök előállítására használható, amelyek fényt és mechanikai rezgéseket (elektronok helyett) használnak a terahertzes frekvenciatartományban történő információtovábbításhoz.
A Brazil Energia- és Anyagkutatási Központ (CNPEM) kutatói a Lille-i Egyetem (Franciaország) és más nemzetközi intézmények munkatársaival együttműködve tanulmányozták ezt a technológiát, és eredményeiket aNature Communications.
A terahertz sáv az elektromágneses spektrum alacsony{0}}energiájú tartományának felel meg, amely az infravörös és a mikrohullámok között helyezkedik el. Ennek ellenére kulcsfontosságúnak tartják a nagy sebességű kommunikációs technológiák kifejlesztésében-.
"Ma a Wi{0}}Fi és az 5G néhány gigahertzes (GHz, 10) frekvencián működik9hertz). De van érdeklődés több száz gigahertz vagy akár terahertz felé (1012hertz), mert minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb a sávszélesség és az adatátviteli kapacitás” – mondja Raul de Oliveira Freitas, a Brazil Synchrotron Light Laboratory (LNLS{0}}CNPEM) Imbuia sugárvonalának vezetője és a tanulmány koordinátora.
A tanulmány azt vizsgálta, hogyan lehet jó minőségű,{0}}réteges kristályt előállítani, amely képes sugárzás hullámvezetőjeként működni ebben a frekvenciatartományban ólom-jodid, egy olcsó anyag felhasználásával.
Ez a platform rezonátorként működhet, amely korlátozza a fényt, és bizonyos rezgésmódok felerősítésével kiválasztja a meghatározott frekvenciákat. Működhet sugárosztóként is, amely a fénysugarat két vagy több útra osztja, hogy lehetővé tegye az optikai jel elosztását, vagy modulátorként, amely megváltoztatja a fény tulajdonságait, például az intenzitást, a fázist vagy a frekvenciát az információ kódolásához.
A munka leginnovatívabb aspektusa az, hogy a fényt a hullámhosszánál jóval kisebb térfogatokba lehet korlátozni.
"A terahertzes tartományban a fény hullámhossza több száz mikrométer. Mi azt csináljuk, hogy ezt a fényt szubmikrométeres tartományokba zárjuk" - magyarázza Freitas.
Ezt a fonon{0}}polaritonok képződése teszi lehetővé, amelyek hibrid kvázirészecskék, amelyek a kristályrácsban lévő atomok rezgéseit (fononok) egyesítik a fénnyel.
"Olyan, mintha a fonon fénybe öltözött volna, és egyedi tulajdonságokkal rendelkező kvázirészecskét képezne. Ezeknek a kvázirészecskéknek a terjedési jellemzői és az anyaggal való kölcsönhatás különbözik az izolált fénytől és az izolált fononokétól is" - kommentálja a kutató.
A fény szélsőséges bezártsága magában foglalja a diffrakciós határon túli működést, ami korlátozza a hagyományos optikai rendszerek felbontását.
"A klasszikus optikában nem lehet megfigyelni vagy manipulálni a fény hullámhosszánál sokkal kisebb szerkezeteket. A polaritonokkal sikerült túllépnünk ezt a határt" - mondja Freitas.
Ennek elérése érdekében a kutatók szóródó-típusú közelmezős-optikai pásztázó mikroszkópiát (s-SNOM) alkalmaztak, egy olyan technikát, amely nanoméretű fémhegyeket alkalmaz az elektromágneses mezők rendkívüli tömörítésére.
"A csúcs antennaként működik, és az eredeti hullámhossztól függetlenül tíz nanométeres nagyságrendű elektromos mező hotspotot hoz létre. Ez lehetővé teszi a fény térbeli skálájának drasztikus csökkentését" - mondja Freitas.
"Továbbá az elektromos tér sűrűsége az s-SNOM szondákban akár 105szor magasabb, mint a szabad hullámokban, ami megmagyarázza a nanofotonikus kutatás technikájának kiválóságát. Egy 200 mikrométeres hullámot 50 nanométernél kisebb térfogatba tudtunk korlátozni."
A tanulmány másik kulcsfontosságú megállapítása a PbI fonon{0}polaritonjainak kiváló minőségi tényezője volt.2. A minőségi tényező annak mértéke, hogy mennyi ideig áll fenn az oszcilláció, mielőtt eloszlik.
"Minél tovább oszcillál a rendszer, annál magasabb a minőségi tényező. PbI2a hatszögletű bór-nitridhez (hBN) hasonlóan teljesít, amely az infravörös tartomány referenciaanyaga" - mondja Freitas.
Egyszerű és fenntartható helyettesítő
Az ólom-jodiddal ellentétben a hatszögletű bór-nitrid (hBN) rendkívül nehezen szintetizálható anyag, rendkívüli nyomás- és hőmérsékleti feltételeket igényel. Még több mint két évtizedes kutatás után is világszerte kevés csoport sajátította el ennek az anyagnak a kiváló minőségben történő előállítását. Ezenkívül tulajdonságai alkalmassá teszik a közepes -infravörös tartományra, de a terahertz tartományra nem.
Az ólom-jodidnak viszont két olcsó, természetesen előforduló prekurzora van: a jód és az ólom. Rendkívül egyszerű módon kristályosítható is.
"Egyszerűen oldjuk fel a sót vízben, amíg túltelített oldatot nem kapunk, és melegítsd fel körülbelül 80 C°-ra, ami egy háztartási tűzhelyen is elvégezhető. A lehűlés során az anyag kikristályosodik, így összegyűjthető szerkezetek alakulnak ki" - mondja a kutató.
A fény nanoméretű manipulálhatósága megnyitja az utat az integrált fotonikus áramkörök számára, amelyek képesek az elektronikus áramkörök helyettesítésére vagy kiegészítésére.
"Jelenleg az eszközökön belül az információ továbbítása elektronokon keresztül történik. A fény használata drasztikusan növelheti a sebességet és csökkentheti a veszteségeket. Ez hasonló ahhoz, ami a távközlés területén történt" - mondja Freitas.
"Korábban elektromos kábeleket használtunk, ma optikai szálakat használunk, amelyek sokkal nagyobb sebességet tesznek lehetővé. Ugyanez az elv alkalmazható a chipek belsejében is. És a nagyobb sebesség mellett energiamegtakarítás is elérhető: a fény sokkal kevesebb veszteséget szenved el, mint az elektromos áram. Ez hatékonyabb és fenntarthatóbb megoldásokat eredményezhet."
