Divdimensiju lamelārais kristāls, kas sastāv no atomiski plāniem svina jodīda (PbI) slāņiem2) varētu izmantot jaunas paaudzes ķēžu ražošanai, kas izmanto gaismas un mehāniskās vibrācijas (nevis elektronus), lai pārraidītu informāciju terahercu frekvenču diapazonā.
Brazīlijas Enerģētikas un materiālu pētniecības centra (CNPEM) pētnieki sadarbībā ar kolēģiem no Lilles Universitātes (Francija) un citām starptautiskām institūcijām ir pētījuši šo tehnoloģiju un publicējuši savus atklājumusDabas sakari.
Terahercu josla atbilst zemas{0}}enerģijas elektromagnētiskā spektra apgabalam, kas atrodas starp infrasarkano staru un mikroviļņiem. Neskatoties uz to, tas tiek uzskatīts par ļoti svarīgu ātrdarbīgu- sakaru tehnoloģiju izstrādē.
"Šodien Wi-Fi un 5G darbojas dažu gigahercu (GHz, 10) frekvencēs9herci). Bet ir interese virzīties uz simtiem gigahercu vai pat terahercu (1012hercu), jo jo augstāka ir frekvence, jo lielāka ir joslas platums un datu pārraides jauda," saka Rauls de Oliveira Freitass, Brazīlijas Sinhrotrona gaismas laboratorijas (LNLS{0}}CNPEM) Imbuia staru līnijas vadītājs un pētījuma koordinators.
Pētījumā tika pētīts, kā, izmantojot svina jodīdu — lētu materiālu, iegūt augstas{0} kvalitātes slāņveida kristālu, kas spēj darboties kā starojuma viļņvads šajā frekvenču diapazonā.
Šī platforma varētu darboties kā rezonators, kas ierobežo gaismu un izvēlas noteiktas frekvences, pastiprinot noteiktus svārstību režīmus. Tas varētu darboties arī kā staru sadalītājs, kas sadala gaismas staru divos vai vairākos ceļos, lai ļautu izplatīt optisko signālu, vai kā modulators, kas maina gaismas īpašības, piemēram, intensitāti, fāzi vai frekvenci, lai kodētu informāciju.
Novatoriskākais darba aspekts ir spēja ierobežot gaismu apjomos, kas ir daudz mazāki par tās viļņa garumu.
"Terahercu diapazonā gaismas viļņu garums ir simtiem mikrometru. Tas, ko mēs darām, ir ierobežot šo gaismu submikrometru reģionos," skaidro Freitas.
Tas ir iespējams, veidojoties fononu{0}}polaritoniem, kas ir hibrīdas kvazidaļiņas, kas apvieno kristāla režģa atomu vibrācijas (fononus) ar gaismu.
"Tas ir tā, it kā fonons būtu ietērpts gaismā, veidojot kvazidaļiņu ar unikālām īpašībām. Šo kvazidaļiņu izplatīšanās īpašības un mijiedarbība ar vielu atšķiras gan no izolētas gaismas, gan no izolētiem fononiem," komentē pētnieks.
Galējā gaismas ierobežošana ietver darbību, kas pārsniedz difrakcijas robežu, kas ierobežo parasto optisko sistēmu izšķirtspēju.
"Klasiskajā optikā nav iespējams novērot vai manipulēt ar struktūrām, kas ir daudz mazākas par gaismas viļņa garumu. Izmantojot polaritonus, mums ir izdevies pārvarēt šo robežu," saka Freitass.
Lai to panāktu, pētnieki izmantoja izkliedes -tipa tuva-lauka optisko skenēšanas mikroskopiju (s-SNOM), kas izmanto nanomēroga metāla uzgaļus, lai ārkārtīgi saspiestu elektromagnētiskos laukus.
"Gals darbojas kā antena un rada elektriskā lauka karsto punktu, kura izmēri ir desmitiem nanometru, neatkarīgi no sākotnējā viļņa garuma. Tas ļauj krasi samazināt gaismas telpisko mērogu," saka Freitas.
"Turklāt elektriskā lauka blīvums s-SNOM zondēs ir līdz 105reizes augstāks nekā brīvajos viļņos, kas izskaidro nanofotoniskās izpētes tehnikas pārākumu. Mēs varējām ierobežot 200 mikrometru viļņu tilpumā, kas mazāks par 50 nanometriem."
Vēl viens svarīgs pētījuma atklājums bija PbI fononu{0}polaritonu augstās kvalitātes faktors.2. Kvalitātes faktors ir mērījums, cik ilgi svārstības saglabājas pirms izkliedēšanas.
"Jo ilgāk sistēma svārstās, jo augstāks kvalitātes faktors. PbI2veikts salīdzināmi ar sešstūra bora nitrīdu (hBN), kas ir atsauces materiāls infrasarkanajā diapazonā," saka Freitas.
Vienkāršs un ilgtspējīgs aizstājējs
Atšķirībā no svina jodīda, sešstūra bora nitrīds (hBN) ir ārkārtīgi grūti sintezējams materiāls, kam nepieciešami ārkārtēji spiediena un temperatūras apstākļi. Pat pēc vairāk nekā divus gadu desmitus ilgas izpētes dažas grupas visā pasaulē ir apguvušas šī materiāla kvalitatīvu ražošanu. Turklāt tā īpašības padara to piemērotu vidējam -infrasarkanajam diapazonam, bet ne terahercu diapazonam.
No otras puses, svina jodīdam ir divi lēti, dabā sastopami prekursori: jods un svins. To var arī kristalizēt ārkārtīgi vienkāršā veidā.
"Vienkārši izšķīdiniet sāli ūdenī, līdz tiek iegūts pārsātināts šķīdums, un uzkarsējiet to līdz aptuveni 80 grādiem C-, ko var izdarīt uz mājsaimniecības plīts. Atdziestot, materiāls kristalizējas, veidojot struktūras, kuras var savākt," stāsta pētnieks.
Spēja manipulēt ar gaismu nanomērogā paver ceļu integrētām fotoniskām shēmām, kas spēj aizstāt vai papildināt elektroniskās shēmas.
"Pašlaik informācija ierīcēs tiek pārraidīta caur elektroniem. Izmantojot gaismu, var krasi palielināt ātrumu un samazināt zudumus. Tas ir līdzīgi tam, kas notika telekomunikāciju jomā," saka Freitass.
"Iepriekš mēs izmantojām elektriskos kabeļus; šodien mēs izmantojam optiskās šķiedras, kas nodrošina daudz lielāku ātrumu. To pašu principu var izmantot arī mikroshēmu iekšpusē. Un papildus lielākam ātrumam ir arī enerģijas ietaupījums: gaisma cieš daudz mazāk zudumu nekā elektriskā strāva. Tas var radīt efektīvākus un ilgtspējīgākus risinājumus."
