Дводимензионални ламеларни кристал састављен од атомски танких слојева оловног јодида (ПбИ2) може да се користи за производњу нове генерације кола која користе светлост и механичке вибрације (уместо електрона) за пренос информација у фреквенцијском опсегу терахерца.
Истраживачи из Бразилског центра за истраживање енергије и материјала (ЦНПЕМ), у партнерству са колегама са Универзитета у Лилу (Француска) и другим међународним институцијама, проучавали су ову технологију и објавили своје налазе уНатуре Цоммуницатионс.
Терахерцни опсег одговара нискоенергетском{0}}региону електромагнетног спектра који се налази између инфрацрвених и микроталаса. Упркос томе, сматра се кључним за развој-комуникационих технологија велике брзине.
„Данас Ви-Фи и 5Г раде на фреквенцијама од неколико гигахерца (ГХз, 109херца). Али постоји интересовање за кретање ка стотинама гигахерца, или чак терахерца (1012херца), јер што је фреквенција већа, то је већи пропусни опсег и капацитет преноса података“, каже Раул де Оливеира Фреитас, шеф снопа Имбуиа у Бразилској лабораторији за синхротронско светло (ЛНЛС-ЦНПЕМ) и координатор студије.
Студија је истраживала како да се произведе-слојевити кристал високог квалитета који може да делује као таласовод за зрачење у овом опсегу фреквенција користећи олово јодид, јефтин материјал.
Ова платформа би могла да функционише као резонатор, који ограничава светлост и бира одређене фреквенције појачавајући одређене модове осциловања. Такође би могао да функционише као разделник снопа, који дели сноп светлости на два или више пута како би се омогућио расподелу оптичког сигнала, или као модулатор, који мења својства светлости, као што су интензитет, фаза или фреквенција, за кодирање информација.
Најиновативнији аспект рада је способност да се светлост ограничи у запремине много мање од њене таласне дужине.
"У терахерцном опсегу, светлост има таласне дужине од стотина микрометара. Оно што ми радимо је да ограничимо ову светлост унутар субмикрометарских региона", објашњава Фреитас.
Ово је омогућено формирањем фононских-поларитона, који су хибридне квазичестице које комбинују вибрације атома у кристалној решетки (фонона) са светлошћу.
"Као да је фонон обучен у светлост, формирајући квазичестицу са јединственим својствима. Карактеристике пропагације и интеракција са материјом ових квазичестица разликују се и од изоловане светлости и од изолованих фонона", коментарише истраживач.
Екстремно ограничење светлости укључује рад изван границе дифракције, што ограничава резолуцију конвенционалних оптичких система.
"У класичној оптици није могуће посматрати или манипулисати структурама које су много мање од таласне дужине светлости. Са поларитонима смо успели да превазиђемо ту границу", каже Фреитас.
Да би ово постигли, истраживачи су користили оптичку скенирајућу микроскопију-типа-приближног{1}}поља (с-СНОМ), технику која користи металне врхове наноразмера за екстремно компримовање електромагнетних поља.
"Врх делује као антена и ствара жариште електричног поља са димензијама реда десетина нанометара, без обзира на првобитну таласну дужину. Ово омогућава драстично смањење просторне скале светлости", каже Фреитас.
„Даље, густина електричног поља у с-СНОМ сондама је до 105пута већи него у слободним таласима, што објашњава супериорност технике за нанофотонско истраживање. Успели смо да ограничимо талас од 200 микрометара у запремину мању од 50 нанометара."
Други кључни налаз студије био је фактор високог квалитета фононских{0}}поларитона у ПбИ2. Фактор квалитета је мера колико дуго осцилација траје пре него што се распрши.
„Што дуже систем осцилује, већи је фактор квалитета. ПбИ2изведено упоредиво са хексагоналним бор нитридом (хБН), који је референтни материјал у инфрацрвеном опсегу", каже Фреитас.
Једноставна и одржива замена
За разлику од оловног јодида, хексагонални бор нитрид (хБН) је изузетно тежак материјал за синтетизу, који захтева екстремне услове притиска и температуре. Чак и након више од две деценије истраживања, неколико група широм света је савладало производњу овог материјала високог квалитета. Штавише, његова својства га чине погодним за средњи-инфрацрвени опсег, али не и за терахерц опсег.
Оловни јодид, с друге стране, има два јефтина, природна прекурсора: јод и олово. Такође се може кристалисати на крајње једноставан начин.
„Једноставно растворите со у води док се не добије презасићен раствор и загрејте је на око 80 степени Ц-нешто што се може урадити на кућној пећи. Током хлађења, материјал кристалише, формирајући структуре које се могу сакупљати“, каже истраживач.
Способност манипулисања светлошћу на наноразмери отвара пут за интегрисана фотонска кола која могу да замене или допуне електронска кола.
"Тренутно се информације преносе унутар уређаја путем електрона. Коришћење светлости може драстично повећати брзину и смањити губитке. То је аналогно ономе што се догодило у области телекомуникација", каже Фреитас.
"Раније смо користили електричне каблове, а данас користимо оптичка влакна, која омогућавају много веће брзине. Исти принцип се може применити и унутар чипова. И, поред већих брзина, постоји и уштеда енергије: светлост трпи много мање губитака од електричне струје. То може резултирати ефикаснијим и одрживијим решењима."
