Ein zwei-dimensionaler Lamellenkristall, der aus atomar dünnen Schichten von Bleiiodid (PbI) besteht2) könnte zur Herstellung einer neuen Generation von Schaltkreisen verwendet werden, die Licht und mechanische Schwingungen (anstelle von Elektronen) zur Übertragung von Informationen im Terahertz-Frequenzbereich nutzen.
Forscher des brasilianischen Zentrums für Energie- und Materialforschung (CNPEM) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Lille (Frankreich) und anderen internationalen Institutionen diese Technologie untersucht und ihre Ergebnisse in veröffentlichtNaturkommunikation.
Das Terahertz-Band entspricht einem niederenergetischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen Infrarot und Mikrowellen. Dennoch gilt es als entscheidend für die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Kommunikationstechnologien.
„Wi-Fi und 5G arbeiten heute mit Frequenzen von einigen Gigahertz (GHz, 109Hertz). Es besteht jedoch Interesse an der Entwicklung hin zu Hunderten von Gigahertz oder sogar Terahertz (10).12Hertz), denn je höher die Frequenz, desto größer die Bandbreite und die Datenübertragungskapazität“, sagt Raul de Oliveira Freitas, Leiter der Imbuia-Beamline am brasilianischen Synchrotron Light Laboratory (LNLS-CNPEM) und Koordinator der Studie.
In der Studie wurde untersucht, wie unter Verwendung von Bleiiodid, einem kostengünstigen Material, ein qualitativ hochwertiger Schichtkristall hergestellt werden kann, der als Wellenleiter für Strahlung in diesem Frequenzbereich fungieren kann.
Diese Plattform könnte als Resonator fungieren, der Licht einschließt und bestimmte Frequenzen auswählt, indem er bestimmte Schwingungsmodi verstärkt. Es könnte auch als Strahlteiler fungieren, der einen Lichtstrahl in zwei oder mehr Pfade aufteilt, um die Verteilung des optischen Signals zu ermöglichen, oder als Modulator, der die Eigenschaften des Lichts wie Intensität, Phase oder Frequenz verändert, um Informationen zu kodieren.
Der innovativste Aspekt der Arbeit ist die Fähigkeit, Licht auf Volumina zu beschränken, die viel kleiner als seine Wellenlänge sind.
„Im Terahertz-Bereich hat Licht Wellenlängen von Hunderten von Mikrometern. Was wir tun, ist, dieses Licht auf Submikrometerbereiche zu beschränken“, erklärt Freitas.
Möglich wird dies durch die Bildung von Phonon-Polaritonen, das sind hybride Quasiteilchen, die die Schwingungen der Atome im Kristallgitter (Phononen) mit Licht kombinieren.
„Es ist, als ob das Phonon in Licht gekleidet wäre und ein Quasiteilchen mit einzigartigen Eigenschaften bildet. Die Ausbreitungseigenschaften und die Wechselwirkung dieser Quasiteilchen mit der Materie unterscheiden sich sowohl von isoliertem Licht als auch von isolierten Phononen“, kommentiert der Forscher.
Der extreme Lichteinschluss erfordert den Betrieb jenseits der Beugungsgrenze, was die Auflösung herkömmlicher optischer Systeme einschränkt.
„In der klassischen Optik ist es nicht möglich, Strukturen zu beobachten oder zu manipulieren, die viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Mit Polaritonen ist es uns gelungen, diese Grenze zu überwinden“, sagt Freitas.
Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher die optische Nahfeld-Scanning-Mikroskopie (s-SNOM) vom -Typ, eine Technik, bei der nanoskalige Metallspitzen eingesetzt werden, um elektromagnetische Felder extrem zu komprimieren.
„Die Spitze fungiert als Antenne und erzeugt einen elektrischen Feld-Hotspot mit Abmessungen in der Größenordnung von mehreren zehn Nanometern, unabhängig von der ursprünglichen Wellenlänge. Dies ermöglicht eine drastische Reduzierung der räumlichen Skala des Lichts“, sagt Freitas.
„Außerdem beträgt die elektrische Felddichte in s-SNOM-Sonden bis zu 105Mal höher als in freien Wellen, was die Überlegenheit der Technik für die nanophotonische Forschung erklärt. Wir konnten eine 200-Mikrometer-Welle auf ein Volumen von weniger als 50 Nanometern beschränken.“
Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Studie war der hohe Qualitätsfaktor der Phonon-Polaritonen in PbI2. Der Gütefaktor ist ein Maß dafür, wie lange die Schwingung anhält, bevor sie verschwindet.
„Je länger das System schwingt, desto höher ist der Qualitätsfaktor. PbI.“2vergleichbar mit hexagonalem Bornitrid (hBN), dem Referenzmaterial im Infrarotbereich“, sagt Freitas.
Ein einfacher und nachhaltiger Ersatz
Im Gegensatz zu Bleiiodid ist hexagonales Bornitrid (hBN) ein äußerst schwierig zu synthetisierendes Material, das extreme Druck- und Temperaturbedingungen erfordert. Selbst nach mehr als zwei Jahrzehnten Forschung ist es nur wenigen Gruppen weltweit gelungen, dieses Material in hoher Qualität herzustellen. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner Eigenschaften für den mittleren -Infrarotbereich, jedoch nicht für den Terahertz-Bereich.
Bleiiodid hingegen hat zwei kostengünstige, natürlich vorkommende Vorläufer: Jod und Blei. Es kann auch auf äußerst einfache Weise kristallisiert werden.
„Lösen Sie das Salz einfach in Wasser auf, bis eine übersättigte Lösung entsteht, und erhitzen Sie es auf etwa 80 Grad C-, was auf einem Haushaltsherd möglich ist. Beim Abkühlen kristallisiert das Material und bildet Strukturen, die gesammelt werden können“, sagt der Forscher.
Die Fähigkeit, Licht im Nanomaßstab zu manipulieren, ebnet den Weg für integrierte photonische Schaltkreise, die elektronische Schaltkreise ersetzen oder ergänzen können.
„Derzeit werden Informationen innerhalb von Geräten über Elektronen übertragen. Durch den Einsatz von Licht kann die Geschwindigkeit drastisch erhöht und Verluste reduziert werden. Das ist vergleichbar mit dem, was im Bereich der Telekommunikation passiert ist“, sagt Freitas.
„Früher haben wir elektrische Kabel verwendet, heute nutzen wir optische Fasern, die viel höhere Geschwindigkeiten ermöglichen. Das gleiche Prinzip lässt sich auch im Inneren von Chips anwenden. Und neben höheren Geschwindigkeiten gibt es auch Energieeinsparungen: Licht erleidet weitaus weniger Verluste als elektrische Ströme. Dadurch können effizientere und nachhaltigere Lösungen entstehen.“
