En to-dimensjonal lamellær krystall sammensatt av atomtynne lag av blyjodid (PbI2) kan brukes til å produsere en ny generasjon kretser som bruker lys og mekaniske vibrasjoner (i stedet for elektroner) for å overføre informasjon i terahertz-frekvensområdet.
Forskere ved det brasilianske senteret for forskning i energi og materialer (CNPEM), i samarbeid med kolleger fra Universitetet i Lille (Frankrike) og andre internasjonale institusjoner, har studert denne teknologien og publisert funnene sine iNaturkommunikasjon.
Terahertz-båndet tilsvarer et område med lav-energi i det elektromagnetiske spekteret som ligger mellom infrarøde og mikrobølger. Til tross for dette anses det som avgjørende for utvikling av høyhastighets-kommunikasjonsteknologi.
«I dag fungerer Wi-Fi og 5G med frekvenser på noen få gigahertz (GHz, 109hertz). Men det er interesse for å gå mot hundrevis av gigahertz, eller til og med terahertz (1012hertz), fordi jo høyere frekvens, desto større båndbredde og dataoverføringskapasitet, sier Raul de Oliveira Freitas, leder for Imbuia-strålelinjen ved Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS-CNPEM) og koordinator for studien.
Studien undersøkte hvordan man kan produsere en lagdelt krystall av høy-kvalitet som er i stand til å fungere som en bølgeleder for stråling i dette frekvensområdet ved å bruke blyjodid, et billig materiale.
Denne plattformen kan fungere som en resonator, som begrenser lys og velger spesifikke frekvenser ved å forsterke visse oscillasjonsmoduser. Den kan også fungere som en stråledeler, som deler en lysstråle i to eller flere baner for å tillate at det optiske signalet distribueres, eller som en modulator, som endrer lysets egenskaper, som intensitet, fase eller frekvens, for å kode informasjon.
Det mest innovative aspektet ved arbeidet er evnen til å begrense lys innenfor volumer som er mye mindre enn bølgelengden.
"I terahertz-området har lys bølgelengder på hundrevis av mikrometer. Det vi gjør er å begrense dette lyset innenfor submikrometerområder," forklarer Freitas.
Dette er muliggjort av dannelsen av fonon-polaritoner, som er hybride kvasipartikler som kombinerer vibrasjonene til atomene i krystallgitteret (fononer) med lys.
"Det er som om fononen var kledd i lys, og dannet en kvasipartikkel med unike egenskaper. Forplantningsegenskapene og interaksjonen med stoffet til disse kvasipartiklerne skiller seg fra både isolert lys og isolerte fononer," kommenterer forskeren.
Den ekstreme begrensningen av lys innebærer å operere utover diffraksjonsgrensen, noe som begrenser oppløsningen til konvensjonelle optiske systemer.
"I klassisk optikk er det ikke mulig å observere eller manipulere strukturer som er mye mindre enn lysets bølgelengde. Med polaritoner har vi klart å overvinne den grensen," sier Freitas.
For å oppnå dette brukte forskerne spredning-type nær-felt optisk skanningsmikroskopi (s-SNOM), en teknikk som bruker nanoskala metallspisser for å komprimere elektromagnetiske felt ekstremt.
"Spissen fungerer som en antenne og skaper et elektrisk felt-hotspot med dimensjoner i størrelsesorden titalls nanometer, uavhengig av den opprinnelige bølgelengden. Dette gir mulighet for en drastisk reduksjon i lysets romlige skala," sier Freitas.
«I tillegg er den elektriske felttettheten i -SNOM-sonder opp til 105ganger høyere enn i frie bølger, noe som forklarer teknikkens overlegenhet for nanofotonisk forskning. Vi var i stand til å begrense en bølge på 200 mikrometer til et volum mindre enn 50 nanometer."
Et annet viktig funn i studien var den høye kvalitetsfaktoren til fonon-polaritonene i PbI2. Kvalitetsfaktoren er et mål på hvor lenge oscillasjonen vedvarer før den forsvinner.
"Jo lenger systemet svinger, jo høyere er kvalitetsfaktoren. PbI2utført sammenlignbart med sekskantet bornitrid (hBN), som er referansematerialet i det infrarøde området, sier Freitas.
En enkel og bærekraftig erstatning
I motsetning til blyjodid, er sekskantet bornitrid (hBN) et ekstremt vanskelig materiale å syntetisere, som krever ekstreme trykk- og temperaturforhold. Selv etter mer enn to tiår med forskning, har få grupper over hele verden mestret å produsere dette materialet med høy kvalitet. Dessuten gjør egenskapene den egnet for det mellomste-infrarøde området, men ikke terahertz-området.
Blyjodid, derimot, har to rimelige, naturlig forekommende forløpere: jod og bly. Den kan også krystalliseres på en ekstremt enkel måte.
"Det er bare å løse opp saltet i vann til en overmettet løsning er oppnådd og varme det til ca. 80 grader C-noe som kan gjøres på en husholdningskomfyr. Under avkjøling krystalliserer materialet, og danner strukturer som kan samles opp," sier forskeren.
Evnen til å manipulere lys på en nanoskala baner vei for integrerte fotoniske kretser som er i stand til å erstatte eller komplementere elektroniske kretser.
"For øyeblikket overføres informasjon i enheter via elektroner. Bruk av lys kan øke hastigheten drastisk og redusere tap. Det er analogt med det som skjedde innen telekommunikasjon," sier Freitas.
"Før brukte vi elektriske kabler; i dag bruker vi optiske fibre, som tillater mye høyere hastigheter. Det samme prinsippet kan brukes inne i brikker. Og i tillegg til høyere hastigheter er det energibesparelser: lys lider mye mindre tap enn elektriske strømmer. Det kan resultere i mer effektive og bærekraftige løsninger."
