D-dimenzionalni lamelarni kristal, sestavljen iz atomsko tankih plasti svinčevega jodida (PbI2) bi lahko uporabili za izdelavo nove generacije vezij, ki uporabljajo svetlobo in mehanske vibracije (namesto elektronov) za prenos informacij v frekvenčnem območju terahercev.
Raziskovalci brazilskega centra za raziskave energije in materialov (CNPEM) so v sodelovanju s kolegi z Univerze v Lillu (Francija) in drugimi mednarodnimi institucijami preučevali to tehnologijo in svoje ugotovitve objavili vNature Communications.
Teraherčni pas ustreza nizko{0}}energijskemu območju elektromagnetnega spektra med infrardečimi in mikrovalovi. Kljub temu velja za ključnega pomena za razvoj-hitrostnih komunikacijskih tehnologij.
»Danes Wi-Fi in 5G delujeta na frekvencah nekaj gigahercev (GHz, 109hertz). Vendar obstaja zanimanje za premikanje proti stotinam gigahercev ali celo terahercev (1012hertz), ker višja kot je frekvenca, večja je pasovna širina in zmogljivost prenosa podatkov,« pravi Raul de Oliveira Freitas, vodja žarkovne linije Imbuia pri brazilskem laboratoriju za sinhrotronsko svetlobo (LNLS-CNPEM) in koordinator študije.
Študija je raziskovala, kako z uporabo svinčevega jodida, poceni materiala, izdelati visoko{0}}kakovosten večplastni kristal, ki lahko deluje kot valovod za sevanje v tem frekvenčnem območju.
Ta platforma bi lahko delovala kot resonator, ki omejuje svetlobo in izbira določene frekvence z ojačanjem določenih načinov nihanja. Lahko deluje tudi kot razdelilnik žarka, ki razdeli žarek svetlobe na dve ali več poti, da omogoči distribucijo optičnega signala, ali kot modulator, ki spremeni lastnosti svetlobe, kot so intenzivnost, faza ali frekvenca, za kodiranje informacij.
Najbolj inovativen vidik dela je zmožnost omejitve svetlobe v prostornine, ki so veliko manjše od njene valovne dolžine.
"V območju terahercev ima svetloba valovne dolžine več sto mikrometrov. To svetlobo omejimo na submikrometrska območja," pojasnjuje Freitas.
To omogoča nastanek fononskih-polaritonov, ki so hibridni kvazidelci, ki združujejo nihanje atomov v kristalni mreži (fononov) s svetlobo.
"Kot da bi bil fonon oblečen v svetlobo in tvoril kvazidelec z edinstvenimi lastnostmi. Značilnosti širjenja in interakcija s snovjo teh kvazidelcev se razlikujejo od izolirane svetlobe in izoliranih fononov," komentira raziskovalec.
Ekstremna omejitev svetlobe vključuje delovanje preko meje uklona, kar omejuje ločljivost običajnih optičnih sistemov.
"V klasični optiki ni mogoče opazovati ali manipulirati struktur, veliko manjših od valovne dolžine svetlobe. S polaritoni nam je uspelo preseči to mejo," pravi Freitas.
Da bi to dosegli, so raziskovalci uporabili optično skenirajočo mikroskopijo-tipa bližnjega{1}}polja (s-SNOM), tehniko, ki uporablja kovinske konice v nanometrskem merilu za izjemno stiskanje elektromagnetnih polj.
"Konica deluje kot antena in ustvarja vročo točko električnega polja z dimenzijami reda desetin nanometrov, ne glede na izvirno valovno dolžino. To omogoča drastično zmanjšanje prostorskega obsega svetlobe," pravi Freitas.
"Poleg tega je gostota električnega polja v sondah s-SNOM do 105krat višja kot pri prostih valovih, kar pojasnjuje superiornost tehnike za nanofotonske raziskave. Uspelo nam je omejiti 200-mikrometrski val v prostornino, manjšo od 50 nanometrov."
Druga ključna ugotovitev študije je bil visok faktor kakovosti fononskih-polaritonov v PbI2. Faktor kakovosti je merilo, kako dolgo nihanje vztraja, preden se razblini.
"Dlje kot sistem oscilira, višji je faktor kakovosti. PbI2primerljivo s heksagonalnim borovim nitridom (hBN), ki je referenčni material v infrardečem območju," pravi Freitas.
Preprost in trajnosten nadomestek
Za razliko od svinčevega jodida je heksagonalni borov nitrid (hBN) izredno težko sintetizirati material, ki zahteva ekstremne pogoje tlaka in temperature. Tudi po več kot dveh desetletjih raziskav je nekaj skupin po vsem svetu obvladalo proizvodnjo tega materiala visoke kakovosti. Poleg tega je zaradi svojih lastnosti primeren za srednje-infrardeče območje, ne pa tudi za območje terahercev.
Po drugi strani pa ima svinčev jodid dva poceni, naravno prisotna predhodnika: jod in svinec. Na izredno preprost način ga lahko tudi kristaliziramo.
"Preprosto raztopite sol v vodi, dokler ne dobite prenasičene raztopine, in jo segrejte na približno 80 stopinj C-, kar lahko storite na gospodinjskem štedilniku. Med ohlajanjem material kristalizira in tvori strukture, ki jih je mogoče zbrati," pravi raziskovalec.
Sposobnost manipuliranja s svetlobo na nanometru utira pot integriranim fotonskim vezjem, ki lahko nadomestijo ali dopolnijo elektronska vezja.
"Trenutno se informacije znotraj naprav prenašajo prek elektronov. Uporaba svetlobe lahko drastično poveča hitrost in zmanjša izgube. To je analogno temu, kar se je zgodilo na področju telekomunikacij," pravi Freitas.
"Pred tem smo uporabljali električne kable; danes uporabljamo optična vlakna, ki omogočajo veliko višje hitrosti. Enako načelo je mogoče uporabiti v čipih. In poleg višjih hitrosti so tu še prihranki energije: svetloba utrpi veliko manj izgub kot električni tokovi. To lahko privede do učinkovitejših in trajnostnih rešitev."
