مواد ارزان قیمت نور را فشرده می کند و راه را برای ریزمدارهای فوتونیک در محدوده تراهرتز هموار می کند.

یک کریستال لایه‌ای دو بعدی متشکل از لایه‌های نازک اتمی یدید سرب (PbI)₂) می تواند برای تولید نسل جدیدی از مدارها استفاده شود که از نور و ارتعاشات مکانیکی (به جای الکترون) برای انتقال اطلاعات در محدوده فرکانس تراهرتز استفاده می کنند.

محققان مرکز تحقیقات انرژی و مواد برزیل (CNPEM) با همکاری همکاران دانشگاه لیل (فرانسه) و سایر موسسات بین المللی، این فناوری را مطالعه کرده و یافته های خود را درارتباطات طبیعت.

باند تراهرتز مربوط به یک ناحیه کم انرژی-از طیف الکترومغناطیسی است که بین امواج مادون قرمز و مایکروویو قرار دارد. با وجود این، برای توسعه فن‌آوری‌های ارتباطی سریع- بسیار مهم در نظر گرفته می‌شود.

«امروز، Wi{0}}وای فای و 5G در فرکانس‌های چند گیگاهرتز (گیگاهرتز، 10) کار می‌کنند.⁹هرتز). اما علاقه به حرکت به سمت صدها گیگاهرتز یا حتی تراهرتز وجود دارد (10¹²هرتز)، زیرا هرچه فرکانس بالاتر باشد، پهنای باند و ظرفیت انتقال داده بیشتر است."

این مطالعه چگونگی تولید یک کریستال لایه‌ای با کیفیت بالا را بررسی کرد که می‌تواند به‌عنوان یک موجبر برای تشعشعات در این محدوده فرکانس با استفاده از یدید سرب، یک ماده ارزان قیمت، عمل کند.

این پلت فرم می تواند به عنوان یک تشدید کننده عمل کند که نور را محدود می کند و با تقویت حالت های خاصی از نوسان، فرکانس های خاصی را انتخاب می کند. همچنین می‌تواند به‌عنوان یک تقسیم‌کننده پرتو، که یک پرتو نور را به دو یا چند مسیر تقسیم می‌کند تا سیگنال نوری توزیع شود، یا به‌عنوان یک مدولاتور، که ویژگی‌های نور، مانند شدت، فاز یا فرکانس را برای رمزگذاری اطلاعات تغییر می‌دهد.

نوآورانه ترین جنبه کار، توانایی محدود کردن نور در حجم های بسیار کوچکتر از طول موج آن است.

فریتاس توضیح می دهد: "در محدوده تراهرتز، نور دارای طول موج های صدها میکرومتر است. کاری که ما انجام می دهیم این است که این نور را در مناطق زیر میکرومتری محدود می کنیم."

این امر با تشکیل فونون-پلاریتون‌ها، که شبه ذرات ترکیبی هستند که ارتعاشات اتم‌های شبکه بلوری (فونون‌ها) را با نور ترکیب می‌کنند، ممکن می‌شود.

این محقق می گوید: "گویی فونون در نور پوشیده شده است و شبه ذره ای با خواص منحصر به فرد را تشکیل می دهد. ویژگی های انتشار و برهم کنش با ماده این شبه ذرات با هر دو نور ایزوله و فونون های جدا شده متفاوت است."

محدودیت شدید نور شامل عملکرد فراتر از حد پراش است که وضوح سیستم های نوری معمولی را محدود می کند.

فریتاس می گوید: "در اپتیک کلاسیک، مشاهده یا دستکاری ساختارهای بسیار کوچکتر از طول موج نور امکان پذیر نیست. با پلاریتون ها، ما موفق به غلبه بر این محدودیت شده ایم."

برای دستیابی به این هدف، محققان از میکروسکوپ روبشی نوری از نوع نزدیک{1}میدان پراکنده (s-SNOM) استفاده کردند، تکنیکی که از نوک های فلزی در مقیاس نانو برای فشرده سازی شدید میدان های الکترومغناطیسی استفاده می کند.

فریتاس می‌گوید: «نوک به‌عنوان یک آنتن عمل می‌کند و یک کانون میدان الکتریکی با ابعادی در حدود ده‌ها نانومتر، بدون توجه به طول موج اصلی ایجاد می‌کند. این امکان کاهش شدید مقیاس فضایی نور را فراهم می‌کند.»

"علاوه بر این، چگالی میدان الکتریکی در کاوشگرهای s-SNOM تا 10 است.⁵برابر بیشتر از امواج آزاد، که برتری تکنیک برای تحقیقات نانوفتونیک را توضیح می دهد. ما توانستیم یک موج 200 میکرومتری را در حجمی کمتر از 50 نانومتر محدود کنیم."

یکی دیگر از یافته های کلیدی این مطالعه، فاکتور کیفیت بالای فونون-پلاریتون ها در PbI بود.₂. ضریب کیفیت معیاری است برای مدت زمانی که نوسان قبل از اتلاف باقی می ماند.

"هر چه سیستم بیشتر نوسان کند، ضریب کیفیت بالاتر است. PbI₂فریتاس می‌گوید که عملکرد آن در مقایسه با نیترید بور شش ضلعی (hBN) است که ماده مرجع در محدوده مادون قرمز است.

یک جایگزین ساده و پایدار

برخلاف یدید سرب، نیترید بور شش ضلعی (hBN) یک ماده بسیار دشوار برای سنتز است که به شرایط فشار و دمای شدید نیاز دارد. حتی پس از بیش از دو دهه تحقیق، گروه های کمی در سراسر جهان بر تولید این مواد با کیفیت بالا تسلط پیدا کرده اند. علاوه بر این، ویژگی‌های آن آن را برای محدوده مادون قرمز متوسط-اما نه برای محدوده تراهرتز مناسب می‌سازد.

از سوی دیگر یدید سرب دارای دو پیش ساز ارزان قیمت و طبیعی است: ید و سرب. همچنین می توان آن را به روشی بسیار ساده متبلور کرد.

محقق می گوید: "به سادگی نمک را در آب حل کنید تا محلول فوق اشباع به دست آید و آن را تا حدود 80 درجه سانتیگراد{1}} حرارت دهید، کاری که می توان روی اجاق گاز خانگی انجام داد. در طول خنک شدن، مواد متبلور می شوند و ساختارهایی را تشکیل می دهند که می توان آنها را جمع کرد."

توانایی دستکاری نور در مقیاس نانو راه را برای مدارهای فوتونیک یکپارچه که قادر به جایگزینی یا تکمیل مدارهای الکترونیکی هستند هموار می کند.

فریتاس می‌گوید: «در حال حاضر، اطلاعات از طریق الکترون‌ها در دستگاه‌ها منتقل می‌شود. استفاده از نور می‌تواند به شدت سرعت را افزایش دهد و تلفات را کاهش دهد. این مشابه آنچه در زمینه ارتباطات رخ داده است، است.

قبلاً از کابل‌های برق استفاده می‌کردیم؛ امروز از فیبرهای نوری استفاده می‌کنیم که سرعت‌های بسیار بالاتری را می‌دهند. همین اصل را می‌توان در داخل تراشه‌ها اعمال کرد. و علاوه بر سرعت‌های بالاتر، صرفه‌جویی در مصرف انرژی نیز وجود دارد: نور نسبت به جریان‌های الکتریکی تلفات بسیار کمتری را متحمل می‌شود. این می‌تواند منجر به راه‌حل‌های کارآمدتر و پایدارتر شود.»