Kahe-mõõtmeline lamellkristall, mis koosneb aatomõhukestest pliijodiidi (PbI) kihtidest2) saaks kasutada uue põlvkonna ahelate valmistamiseks, mis kasutavad valgust ja mehaanilist vibratsiooni (mitte elektrone), et edastada teavet terahertsi sagedusvahemikus.
Brasiilia energia- ja materjaliuuringute keskuse (CNPEM) teadlased koostöös kolleegidega Lille'i ülikoolist (Prantsusmaa) ja teistest rahvusvahelistest institutsioonidest on seda tehnoloogiat uurinud ja avaldanud oma tulemusedLooduskommunikatsioonid.
Terahertsi sagedusala vastab elektromagnetilise spektri madala{0}energia piirkonnale, mis asub infrapuna ja mikrolainete vahel. Sellest hoolimata peetakse seda ülikiirete kommunikatsioonitehnoloogiate arendamiseks-oluliseks.
"Tänapäeval töötavad WiFi ja 5G mõne gigahertsi (GHz, 10) sagedustel9hertsi). Kuid on huvi liikuda sadade gigahertside või isegi terahertside suunas (1012hertsi), sest mida kõrgem on sagedus, seda suurem on ribalaius ja andmeedastusvõimsus," ütleb Brasiilia sünkrotronvalguse labori (LNLS{0}}CNPEM) Imbuia valgusvihu juht ja uuringu koordinaator Raul de Oliveira Freitas.
Uuringus uuriti, kuidas toota kvaliteetset{0}}kihilist kristalli, mis oleks võimeline toimima selles sagedusvahemikus kiirguse lainejuhina, kasutades odavat materjali pliijodiidi.
See platvorm võiks toimida resonaatorina, mis piirab valgust ja valib teatud sagedusi, võimendades teatud võnkerežiime. See võib toimida ka kiirjaoturina, mis jagab valguskiire kaheks või enamaks teeks, et võimaldada optilise signaali jaotamist, või modulaatorina, mis muudab teabe kodeerimiseks valguse omadusi, näiteks intensiivsust, faasi või sagedust.
Töö kõige uuenduslikum aspekt on võime piirata valgust selle lainepikkusest palju väiksematesse mahtudesse.
"Terahertsivahemikus on valguse lainepikkused sadu mikromeetreid. See, mida me teeme, piirame selle valguse submikromeetriliste piirkondadega," selgitab Freitas.
Selle teeb võimalikuks foonon{0}}polaritonide moodustumine, mis on hübriidsed kvaasiosakesed, mis ühendavad kristallvõres olevate aatomite vibratsiooni (fonoonid) valgusega.
"See on justkui foonon riietatud valgusesse, moodustades ainulaadsete omadustega kvaasiosakese. Nende kvaasiosakeste levimisomadused ja koostoime ainega erinevad nii isoleeritud valgusest kui ka isoleeritud fononitest," kommenteerib teadlane.
Valguse äärmuslik piiramine hõlmab töötamist väljaspool difraktsioonipiiri, mis piirab tavapäraste optiliste süsteemide eraldusvõimet.
"Klassikalises optikas ei ole valguse lainepikkusest palju väiksemaid struktuure võimalik vaadelda ega nendega manipuleerida. Polaritonidega on meil õnnestunud see piir ületada," ütleb Freitas.
Selle saavutamiseks kasutasid teadlased hajumis-tüüpi lähi-lähivälja optilist skaneerivat mikroskoopiat (s-SNOM), tehnikat, mis kasutab elektromagnetväljade äärmuslikuks kokkusurumiseks nanomõõtmelisi metallist otsikuid.
"Ots toimib antennina ja loob elektrivälja leviala, mille mõõtmed on kümnete nanomeetrite suurusjärgus, sõltumata algsest lainepikkusest. See võimaldab valguse ruumilist skaalat drastiliselt vähendada," räägib Freitas.
"Lisaks on elektrivälja tihedus s-SNOM-sondides kuni 105korda kõrgem kui vabalainetel, mis seletab nanofotooniliste uuringute tehnika paremust. Suutsime piirata 200-mikromeetrise laine mahuga, mis on väiksem kui 50 nanomeetrit.
Uuringu teine oluline järeldus oli PbI fonon{0}polaritonide kõrge kvaliteeditegur2. Kvaliteeditegur näitab, kui kaua võnkumine enne hajumist püsib.
"Mida kauem süsteem võngub, seda kõrgem on kvaliteeditegur. PbI2toimib võrreldavalt kuusnurkse boornitriidiga (hBN), mis on infrapunavahemiku võrdlusmaterjal, " ütleb Freitas.
Lihtne ja jätkusuutlik asendus
Erinevalt pliijodiidist on kuusnurkne boornitriid (hBN) äärmiselt raskesti sünteesitav materjal, mis nõuab äärmuslikke rõhu- ja temperatuuritingimusi. Isegi pärast enam kui kaks aastakümmet kestnud uurimistööd on vähesed rühmad kogu maailmas õppinud seda materjali kõrge kvaliteediga tootma. Lisaks muudavad selle omadused selle sobivaks keskmise -infrapuna-, kuid mitte terahertsivahemiku jaoks.
Pliijodiidil on seevastu kaks odavat looduslikult esinevat lähteainet: jood ja plii. Seda saab ka ülilihtsal viisil kristalliseerida.
"Lihtsalt lahustage sool vees, kuni saadakse üleküllastunud lahus ja soojendage see umbes 80 kraadini C-, mida saab teha majapidamises kasutataval pliidil. Jahtumisel materjal kristalliseerub, moodustades struktuure, mida saab koguda," räägib teadlane.
Võimalus manipuleerida valgusega nanoskaalal sillutab teed integreeritud fotoonskeemidele, mis on võimelised elektroonilisi lülitusi asendama või täiendama.
"Praegu edastatakse infot seadmete sees elektronide kaudu. Valguse kasutamine võib drastiliselt suurendada kiirust ja vähendada kadusid. See on analoogne telekommunikatsiooni vallas juhtunuga," räägib Freitas.
"Varem kasutasime elektrikaableid, täna aga optilisi kiude, mis võimaldavad palju suuremat kiirust. Sama põhimõtet saab rakendada ka kiipide sees. Ja lisaks suuremale kiirusele on energiasääst: valgus kannatab palju vähem kadusid kui elektrivoolud. Selle tulemuseks võivad olla tõhusamad ja jätkusuutlikumad lahendused."
