Tvö-víddar lamellar kristal sem samanstendur af atómþunnum lögum af blýjoðíði (PbI)2) gæti verið notað til að framleiða nýja kynslóð rafrása sem nota ljós og vélrænan titring (frekar en rafeindir) til að senda upplýsingar á terahertz tíðnisviðinu.
Vísindamenn við Brazilian Centre for Research in Energy and Materials (CNPEM), í samstarfi við samstarfsmenn frá háskólanum í Lille (Frakklandi) og öðrum alþjóðlegum stofnunum, hafa rannsakað þessa tækni og birt niðurstöður sínar íNáttúrusamskipti.
Terahertz-bandið samsvarar lágorkusvæði rafsegulrófsins sem er á milli innrauða og örbylgjuofna. Þrátt fyrir þetta er það talið mikilvægt fyrir þróun há-samskiptatækni.
„Í dag starfa Wi-Fi og 5G á tíðni upp á nokkur gígahertz (GHz, 109hertz). En það er áhugi á að fara í átt að hundruðum gígahertz, eða jafnvel terahertz (1012hertz), því því hærri sem tíðnin er, því meiri er bandbreiddin og gagnaflutningsgetan,“ segir Raul de Oliveira Freitas, yfirmaður Imbuia geislalínunnar hjá Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS-CNPEM) og umsjónarmaður rannsóknarinnar.
Rannsóknin rannsakaði hvernig hægt er að framleiða hágæða lagskiptan kristal sem getur virkað sem bylgjuleiðari fyrir geislun á þessu tíðnisviði með því að nota blýjoðíð, ódýrt efni.
Þessi vettvangur gæti virkað sem resonator, sem takmarkar ljós og velur ákveðna tíðni með því að magna upp ákveðna sveifluhætti. Það gæti einnig virkað sem geislaskiptir, sem skiptir ljósgeisla í tvær eða fleiri brautir til að leyfa ljósmerkinu að dreifast, eða sem mótari, sem breytir eiginleikum ljóss, eins og styrkleika, fasa eða tíðni, til að kóða upplýsingar.
Nýstárlegasti þátturinn í verkinu er hæfileikinn til að takmarka ljós í rúmmáli sem er mun minna en bylgjulengd þess.
"Á terahertz-sviðinu hefur ljós bylgjulengdir upp á hundruð míkrómetra. Það sem við gerum er að takmarka þetta ljós innan undirmíkrómetra svæða," útskýrir Freitas.
Þetta er gert mögulegt með myndun phonon-skauta, sem eru blendingar hálfagnir sem sameina titring atómanna í kristalgrindunum (phonon) við ljós.
"Það er eins og fónónið hafi verið klætt ljós og myndað hálfkorn með einstaka eiginleika. Útbreiðslueiginleikar og víxlverkun við efni þessara hálfkorna eru frábrugðin bæði einangruðu ljósi og einangruðum hljóðeiningum," segir rannsakandi.
Hin mikla innilokun ljóss felur í sér að vinna út fyrir sveigjumörkin, sem takmarkar upplausn hefðbundinna ljóskerfa.
"Í klassískri ljósfræði er ekki hægt að fylgjast með eða meðhöndla mannvirki sem eru miklu minni en bylgjulengd ljóss. Með pólitónum hefur okkur tekist að yfirstíga þau mörk," segir Freitas.
Til að ná þessu notuðu rannsakendur dreifingar-gerð nær-sviðs sjónskönnunarsmásjár (s-SNOM), tækni sem notar málmábendingar á nanóskala til að þjappa rafsegulsviðum mjög saman.
"Oddurinn virkar sem loftnet og skapar rafsviðs heitan reit með stærðum á stærð við tugi nanómetra, óháð upprunalegri bylgjulengd. Þetta gerir kleift að draga verulega úr staðbundnum mælikvarða ljóssins," segir Freitas.
„Ennfremur er rafsviðsþéttleiki í s-SNOM könnunum allt að 105sinnum hærri en í frjálsum bylgjum, sem skýrir yfirburði tækninnar við nanóljóseindarannsóknir. Okkur tókst að takmarka 200 míkrómetra bylgju í rúmmál sem er minna en 50 nanómetrar.“
Önnur lykilniðurstaða rannsóknarinnar var hágæðastuðull phonon-skautanna í PbI2. Gæðastuðullinn er mælikvarði á hversu lengi sveiflan varir áður en hún hverfur.
„Því lengur sem kerfið sveiflast, því hærri er gæðastuðullinn. PbI2framkvæmt sambærilegt við sexhyrnt bórnítríð (hBN), sem er viðmiðunarefnið á innrauða sviðinu,“ segir Freitas.
Einfaldur og sjálfbær staðgengill
Ólíkt blýjoðíði er sexhyrnt bórnítríð (hBN) afar erfitt efni til að búa til, sem krefst mikillar þrýstings og hitastigs. Jafnvel eftir meira en tveggja áratuga rannsóknir hafa fáir hópar um allan heim náð tökum á því að framleiða þetta efni í háum gæðum. Ennfremur, eiginleikar þess gera það að verkum að það hentar fyrir meðal-innrauða svið en ekki terahertz svið.
Blýjoðíð hefur aftur á móti tvo ódýra, náttúrulega forvera: joð og blý. Það er líka hægt að kristalla það á einstaklega einfaldan hátt.
"Leysið saltið einfaldlega upp í vatni þar til yfirmettuð lausn fæst og hitið það upp í um 80 gráður C-eitthvað sem hægt er að gera á heimiliseldavél. Við kælingu kristallast efnið og myndar mannvirki sem hægt er að safna saman," segir rannsakandi.
Hæfni til að meðhöndla ljós á nanóskala ryður brautina fyrir samþættar ljóseindarásir sem geta komið í stað eða bætt við rafrásir.
"Eins og er eru upplýsingar sendar innan tækja í gegnum rafeindir. Notkun ljóss getur aukið hraðann verulega og dregið úr tapi. Það er hliðstætt því sem gerðist á sviði fjarskipta," segir Freitas.
"Áður fyrr notuðum við rafmagnssnúrur; í dag notum við ljósleiðara, sem gera ráð fyrir miklu meiri hraða. Sömu reglu er hægt að beita inni í flögum. Og auk meiri hraða er orkusparnaður: ljós verður fyrir mun minna tapi en rafstraumar. Það getur skilað sér í skilvirkari og sjálfbærari lausnum."
