Dvodimenzionalni lamelarni kristal sastavljen od atomski tankih slojeva olovnog jodida (PbI2) može se koristiti za proizvodnju nove generacije kola koja koriste svjetlost i mehaničke vibracije (a ne elektrone) za prijenos informacija u frekvencijskom opsegu teraherca.
Istraživači iz Brazilskog centra za istraživanje energije i materijala (CNPEM), u partnerstvu sa kolegama sa Univerziteta u Lilu (Francuska) i drugim međunarodnim institucijama, proučavali su ovu tehnologiju i objavili svoje nalaze uNature Communications.
Teraherc opseg odgovara nisko{0}}energijskom području elektromagnetnog spektra koji se nalazi između infracrvenih i mikrotalasa. Uprkos tome, smatra se ključnim za razvoj-komunikacionih tehnologija velike brzine.
"Danas Wi-Fi i 5G rade na frekvencijama od nekoliko gigaherca (GHz, 109herca). Ali postoji interes za kretanje prema stotinama gigaherca, ili čak teraherca (1012herca), jer što je viša frekvencija, to je veći propusni opseg i kapacitet prijenosa podataka", kaže Raul de Oliveira Freitas, šef Imbuia beamline-a u Brazilskoj Synchrotron Light Laboratory (LNLS-CNPEM) i koordinator studije.
Studija je istraživala kako proizvesti visoko-slojeviti kristal visokog kvaliteta koji može djelovati kao talasovod za zračenje u ovom frekventnom opsegu koristeći olovni jodid, jeftin materijal.
Ova platforma bi mogla funkcionirati kao rezonator, koji ograničava svjetlost i bira određene frekvencije pojačavajući određene modove oscilacije. Također bi mogao funkcionirati kao razdjelnik snopa, koji dijeli snop svjetlosti na dva ili više puta kako bi se omogućio raspodjelu optičkog signala, ili kao modulator, koji mijenja svojstva svjetlosti, kao što su intenzitet, faza ili frekvencija, za kodiranje informacija.
Najinovativniji aspekt rada je sposobnost da se svjetlost ograniči u zapremine mnogo manje od njene talasne dužine.
"U opsegu teraherca, svjetlost ima talasne dužine stotina mikrometara. Ono što mi radimo je da ograničimo ovu svjetlost unutar submikrometarskih područja", objašnjava Freitas.
Ovo je omogućeno formiranjem fononskih-polaritona, koji su hibridne kvazičestice koje kombinuju vibracije atoma u kristalnoj rešetki (fonona) sa svjetlošću.
"Kao da je fonon obučen u svjetlost, formirajući kvazičesticu sa jedinstvenim svojstvima. Karakteristike širenja i interakcija s materijom ovih kvazičestica razlikuju se i od izolirane svjetlosti i od izolovanih fonona", komentira istraživač.
Ekstremno ograničenje svjetlosti uključuje djelovanje izvan granice difrakcije, što ograničava rezoluciju konvencionalnih optičkih sistema.
"U klasičnoj optici nije moguće posmatrati ili manipulisati strukturama koje su mnogo manje od talasne dužine svetlosti. Sa polaritonima smo uspeli da prevaziđemo tu granicu", kaže Freitas.
Da bi to postigli, istraživači su koristili optičku skenirajuću mikroskopiju-tipa bliskog-polja (s-SNOM), tehniku koja koristi metalne vrhove nanomjerne veličine za ekstremno komprimiranje elektromagnetnih polja.
"Vrh djeluje kao antena i stvara žarišnu tačku električnog polja s dimenzijama reda desetina nanometara, bez obzira na originalnu talasnu dužinu. Ovo omogućava drastično smanjenje prostorne skale svjetlosti", kaže Freitas.
"Dalje, gustina električnog polja u s-SNOM sondama je do 105puta veći nego u slobodnim talasima, što objašnjava superiornost tehnike za nanofotonsko istraživanje. Uspjeli smo ograničiti talas od 200 mikrometara u zapreminu manju od 50 nanometara."
Drugi ključni nalaz studije bio je faktor visokog kvaliteta fononskih{0}}polaritona u PbI2. Faktor kvaliteta je mjera koliko dugo oscilacija traje prije nego što se rasprši.
„Što duže sistem osciluje, veći je faktor kvaliteta. PbI2uporedivo sa heksagonalnim bor nitridom (hBN), koji je referentni materijal u infracrvenom opsegu", kaže Freitas.
Jednostavna i održiva zamjena
Za razliku od olovnog jodida, heksagonalni bor nitrid (hBN) je izuzetno težak materijal za sintetizaciju, koji zahteva ekstremne uslove pritiska i temperature. Čak i nakon više od dvije decenije istraživanja, nekoliko grupa širom svijeta ovladalo je proizvodnjom ovog materijala visokog kvaliteta. Štaviše, njegova svojstva ga čine pogodnim za srednji-infracrveni opseg, ali ne i za terahertz opseg.
Olovni jodid, s druge strane, ima dva jeftina, prirodna prekursora: jod i olovo. Također se može kristalizirati na izuzetno jednostavan način.
"Jednostavno otopite sol u vodi dok se ne dobije prezasićeni rastvor i zagrijte je na oko 80 stepeni C-nešto što se može učiniti na kućnoj peći. Tokom hlađenja, materijal kristalizira, formirajući strukture koje se mogu sakupljati", kaže istraživač.
Sposobnost manipulisanja svjetlošću na nanorazmjeri otvara put za integrirana fotonska kola koja mogu zamijeniti ili dopuniti elektronska kola.
"Trenutno se informacije prenose unutar uređaja putem elektrona. Upotreba svjetlosti može drastično povećati brzinu i smanjiti gubitke. To je analogno onome što se dogodilo u oblasti telekomunikacija", kaže Freitas.
"Prije smo koristili električne kablove, a danas koristimo optička vlakna, koja omogućavaju mnogo veće brzine. Isti princip se može primijeniti i unutar čipova. I, osim većih brzina, postoji i ušteda energije: svjetlost trpi mnogo manje gubitaka od električne struje. To može rezultirati efikasnijim i održivijim rješenjima."
