Dvourozměrný lamelární krystal složený z atomicky tenkých vrstev jodidu olovnatého (PbI2) by mohly být použity k výrobě nové generace obvodů, které využívají světlo a mechanické vibrace (spíše než elektrony) k přenosu informací v terahertzovém frekvenčním rozsahu.
Výzkumníci z Brazilského centra pro výzkum energie a materiálů (CNPEM) ve spolupráci s kolegy z University of Lille (Francie) a dalšími mezinárodními institucemi studovali tuto technologii a publikovali svá zjištění vPříroda komunikace.
Terahertzové pásmo odpovídá nízkoenergetické oblasti elektromagnetického spektra mezi infračerveným zářením a mikrovlnami. Navzdory tomu je považován za klíčový pro vývoj-rychlostních komunikačních technologií.
„Dnes Wi{0}}Fi a 5G fungují na frekvencích několika gigahertzů (GHz, 109hertz). Existuje však zájem o posun směrem ke stovkám gigahertzů nebo dokonce terahertzů (1012hertz), protože čím vyšší je frekvence, tím větší je šířka pásma a kapacita přenosu dat,“ říká Raul de Oliveira Freitas, vedoucí Imbuia beamline v Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS-CNPEM) a koordinátor studie.
Studie zkoumala, jak vyrobit vysoce kvalitní-vrstvený krystal schopný fungovat jako vlnovod pro záření v tomto frekvenčním rozsahu pomocí jodidu olovnatého, což je levný materiál.
Tato platforma by mohla fungovat jako rezonátor, který omezuje světlo a vybírá specifické frekvence zesílením určitých režimů oscilace. Mohl by také fungovat jako rozdělovač paprsků, který rozděluje paprsek světla na dvě nebo více cest, aby umožnil distribuci optického signálu, nebo jako modulátor, který mění vlastnosti světla, jako je intenzita, fáze nebo frekvence, pro kódování informací.
Nejinovativnějším aspektem práce je schopnost omezit světlo v objemech mnohem menších, než je jeho vlnová délka.
"V terahertzovém rozsahu má světlo vlnové délky stovek mikrometrů. To, co děláme, je omezovat toto světlo v submikrometrových oblastech," vysvětluje Freitas.
To je umožněno tvorbou fononových-polaritonů, což jsou hybridní kvazičástice, které kombinují vibrace atomů v krystalové mřížce (fonony) se světlem.
"Je to, jako by fonon byl oblečen do světla a tvořil kvazičástici s jedinečnými vlastnostmi. Charakteristiky šíření a interakce s hmotou těchto kvazičástic se liší jak od izolovaného světla, tak od izolovaných fononů," komentuje výzkumník.
Extrémní omezení světla zahrnuje provoz za limitem difrakce, což omezuje rozlišení konvenčních optických systémů.
"V klasické optice není možné pozorovat nebo manipulovat se strukturami mnohem menšími, než je vlnová délka světla. S polaritony se nám tento limit podařilo překonat," říká Freitas.
K dosažení tohoto cíle použili vědci rozptylovou -typ blízko{1}} optické skenovací mikroskopie (s-SNOM), techniku, která využívá kovové hroty v nanoměřítku k extrémní kompresi elektromagnetických polí.
"Hrot funguje jako anténa a vytváří hotspot elektrického pole o rozměrech v řádu desítek nanometrů, bez ohledu na původní vlnovou délku. To umožňuje drastické snížení prostorového měřítka světla," říká Freitas.
„Kromě toho je hustota elektrického pole v sondách s-SNOM až 105krát vyšší než u volných vln, což vysvětluje nadřazenost techniky pro nanofotonický výzkum. Byli jsme schopni omezit 200mikrometrovou vlnu do objemu menšího než 50 nanometrů."
Dalším klíčovým zjištěním studie byl faktor vysoké kvality fononových-polaritonů v PbI2. Faktor kvality je měřítkem toho, jak dlouho oscilace přetrvává, než se rozptýlí.
„Čím déle systém kmitá, tím vyšší je kvalitativní faktor.PbI2výkon srovnatelný s hexagonálním nitridem boru (hBN), který je referenčním materiálem v infračervené oblasti,“ říká Freitas.
Jednoduchá a udržitelná náhrada
Na rozdíl od jodidu olovnatého je hexagonální nitrid boru (hBN) extrémně obtížně syntetizovatelný materiál, který vyžaduje extrémní tlakové a teplotní podmínky. Dokonce i po více než dvou desetiletích výzkumu jen málo skupin na celém světě zvládlo výrobu tohoto materiálu ve vysoké kvalitě. Navíc je díky svým vlastnostem vhodný pro střední -infračervené pásmo, ale ne pro terahertzový rozsah.
Na druhé straně jodid olovnatý má dva levné, přirozeně se vyskytující prekurzory: jód a olovo. Může být také velmi jednoduchým způsobem krystalizován.
"Sůl jednoduše rozpusťte ve vodě, dokud nezískáte přesycený roztok, a zahřejte ji na asi 80 stupňů C-něco, co lze udělat na domácím sporáku. Během ochlazování materiál krystalizuje a vytváří struktury, které lze shromažďovat," říká výzkumník.
Schopnost manipulovat se světlem v nanoměřítku otevírá cestu pro integrované fotonické obvody schopné nahradit nebo doplnit elektronické obvody.
"V současnosti jsou informace přenášeny v zařízeních prostřednictvím elektronů. Použití světla může drasticky zvýšit rychlost a snížit ztráty. Je to analogické tomu, co se stalo v oblasti telekomunikací," říká Freitas.
"Dříve jsme používali elektrické kabely, dnes používáme optická vlákna, která umožňují mnohem vyšší rychlosti. Stejný princip lze aplikovat i uvnitř čipů. A kromě vyšších rychlostí jsou zde úspory energie: světlo trpí mnohem menšími ztrátami než elektrické proudy. Výsledkem mohou být efektivnější a udržitelnější řešení."
