Een twee-dimensionaal lamellair kristal bestaande uit atomair dunne lagen loodjodide (PbI2) zou kunnen worden gebruikt om een nieuwe generatie circuits te vervaardigen die licht en mechanische trillingen (in plaats van elektronen) gebruiken om informatie in het terahertz-frequentiebereik te verzenden.
Onderzoekers van het Braziliaanse Centrum voor Onderzoek in Energie en Materialen (CNPEM), in samenwerking met collega's van de Universiteit van Lille (Frankrijk) en andere internationale instellingen, hebben deze technologie bestudeerd en hun bevindingen gepubliceerd inNatuurcommunicatie.
De terahertz-band komt overeen met een laag-energiegebied van het elektromagnetische spectrum, gelegen tussen infrarood en microgolven. Desondanks wordt het als cruciaal beschouwd voor de ontwikkeling van hoge-communicatietechnologieën.
"Tegenwoordig werken Wi- en 5G op frequenties van enkele gigahertz (GHz, 109hertz). Maar er is interesse om richting honderden gigahertz of zelfs terahertz te gaan (1012hertz), omdat hoe hoger de frequentie, hoe groter de bandbreedte en de datatransmissiecapaciteit", zegt Raul de Oliveira Freitas, hoofd van de Imbuia-bundellijn bij het Braziliaanse Synchrotron Light Laboratory (LNLS-CNPEM) en coördinator van het onderzoek.
In het onderzoek werd onderzocht hoe een gelaagd kristal van hoge-kwaliteit kon worden geproduceerd dat als golfgeleider voor straling in dit frequentiebereik kan fungeren, met behulp van loodjodide, een goedkoop materiaal.
Dit platform zou kunnen functioneren als een resonator, die licht opsluit en specifieke frequenties selecteert door bepaalde oscillatiemodi te versterken. Het zou ook kunnen functioneren als een bundelsplitser, die een lichtbundel in twee of meer paden splitst om het optische signaal te kunnen distribueren, of als een modulator, die de eigenschappen van licht verandert, zoals intensiteit, fase of frequentie, om informatie te coderen.
Het meest innovatieve aspect van het werk is het vermogen om licht te beperken tot volumes die veel kleiner zijn dan de golflengte.
"In het terahertz-bereik heeft licht golflengten van honderden micrometers. Wat wij doen is dit licht opsluiten binnen submicrometergebieden", legt Freitas uit.
Dit wordt mogelijk gemaakt door de vorming van fonon-polaritonen, dit zijn hybride quasideeltjes die de trillingen van de atomen in het kristalrooster (fononen) combineren met licht.
"Het is alsof de fononen in licht zijn gehuld en een quasideeltje vormen met unieke eigenschappen. De voortplantingskenmerken en interactie met de materie van deze quasideeltjes verschillen van zowel geïsoleerd licht als geïsoleerde fononen", merkt de onderzoeker op.
De extreme beperking van licht houdt in dat er voorbij de diffractielimiet wordt gewerkt, wat de resolutie van conventionele optische systemen beperkt.
"In de klassieke optica is het niet mogelijk om structuren te observeren of te manipuleren die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht. Met polaritonen zijn we erin geslaagd die limiet te overwinnen", zegt Freitas.
Om dit te bereiken gebruikten de onderzoekers verstrooiing-type near-field optische scanningmicroscopie (s-SNOM), een techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van metalen tips op nanoschaal om elektromagnetische velden extreem te comprimeren.
"De punt fungeert als antenne en creëert een hotspot voor een elektrisch veld met afmetingen in de orde van tientallen nanometers, ongeacht de oorspronkelijke golflengte. Dit maakt een drastische verkleining van de ruimtelijke schaal van licht mogelijk", zegt Freitas.
"Bovendien is de elektrische velddichtheid in s-SNOM-sondes maximaal 105keer hoger dan in vrije golven, wat de superioriteit van de techniek voor nanofotonisch onderzoek verklaart. We konden een golf van 200 micrometer beperken tot een volume kleiner dan 50 nanometer."
Een andere belangrijke bevinding van het onderzoek was de hoge kwaliteitsfactor van de fonon-polaritonen in PbI2. De kwaliteitsfactor is een maatstaf voor hoe lang de oscillatie aanhoudt voordat deze verdwijnt.
"Hoe langer het systeem oscilleert, hoe hoger de kwaliteitsfactor. PbI2vergelijkbaar met hexagonaal boornitride (hBN), het referentiemateriaal in het infraroodbereik", zegt Freitas.
Een eenvoudig en duurzaam alternatief
In tegenstelling tot loodjodide is hexagonaal boornitride (hBN) een uiterst moeilijk materiaal om te synthetiseren, waarvoor extreme druk- en temperatuuromstandigheden nodig zijn. Zelfs na meer dan twintig jaar onderzoek zijn er wereldwijd maar weinig groepen die dit materiaal met een hoge kwaliteit kunnen produceren. Bovendien maken zijn eigenschappen hem geschikt voor het midden-infraroodbereik, maar niet voor het terahertzbereik.
Loodjodide heeft daarentegen twee goedkope, natuurlijk voorkomende voorlopers: jodium en lood. Het kan ook op uiterst eenvoudige wijze worden gekristalliseerd.
"Los het zout eenvoudigweg op in water tot een oververzadigde oplossing wordt verkregen en verwarm het tot ongeveer 80 graden Celsius-iets dat op een huishoudelijk fornuis kan worden gedaan. Tijdens het afkoelen kristalliseert het materiaal en vormt het structuren die kunnen worden verzameld", zegt de onderzoeker.
Het vermogen om licht op nanoschaal te manipuleren maakt de weg vrij voor geïntegreerde fotonische circuits die elektronische circuits kunnen vervangen of aanvullen.
"Momenteel wordt informatie binnen apparaten verzonden via elektronen. Het gebruik van licht kan de snelheid drastisch verhogen en verliezen verminderen. Het is analoog aan wat er gebeurde op het gebied van telecommunicatie", zegt Freitas.
"Vroeger gebruikten we elektriciteitskabels, tegenwoordig gebruiken we optische vezels, die veel hogere snelheden mogelijk maken. Hetzelfde principe kan worden toegepast in chips. En naast hogere snelheden zijn er energiebesparingen: licht lijdt veel minder verliezen dan elektrische stromen. Dat kan resulteren in efficiëntere en duurzamere oplossingen."
