Naukowcy osiągnęli kamień milowy w nanotechnologii, skutecznie zatrzymując światło podczerwone wewnątrz struktury o grubości zaledwie 42 nanometrów. Aby spojrzeć na tę skalę, warstwa ta jest około 2000 razy cieńsza niż ludzki włos.
Zespół naukowców z UW wykazał, że światłem można precyzyjnie manipulować wewnątrz niewiarygodnie cienkich dwuwymiarowych materiałów, otwierając nowe horyzonty dla przyszłości mikroelektroniki.
Nauka o pułapce świetlnej
Istota tego osiągnięcia polega na zastosowaniu diselenku molibdenu (MoSe2) – materiału składającego się z warstwowych atomów. Ta specyficzna struktura chemiczna jest wysoko ceniona ze względu na wysoki współczynnik załamania światła (zdolność do zaginania i spowalniania światła), który ma kluczowe znaczenie dla zamykania fotonów w ograniczonych przestrzeniach.
Aby osiągnąć ten cel, badacze zastosowali kilka zaawansowanych metod:
- Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE): atomowa metoda „drukowania” wykorzystywana do hodowli ultracienkich arkuszy MoSe2 z niezwykłą precyzją.
- Siatki podfalowe: Zespół nałożył na materiał mikroskopijne paski. Szczeliny te są mniejsze niż długość fali samego światła podczerwonego, tworząc dla niego rodzaj fizycznej klatki.
- Bound in Continuum (BIC): to specjalne zjawisko fizyczne, w którym fale świetlne są zamknięte w materiale, mimo że są otoczone przez inne fale, które normalnie powodują promieniowanie światła na zewnątrz.
Dzięki dokładnemu modelowaniu siatki przed utworzeniem konstrukcji zespołowi udało się wywołać efekt BIC, dzięki któremu światło pozostaje wewnątrz, a nie ucieka.
Dlaczego to ma znaczenie: ścieżka do obliczeń optycznych
To odkrycie to nie tylko sukces laboratoryjny; rozwiązuje podstawowy problem współczesnej fizyki. Tradycyjnie światło podczerwone ma dłuższą długość fali niż światło widzialne, co znacznie utrudnia jego umieszczenie w małych, kompaktowych przestrzeniach.
Możliwość manipulowania tymi długościami fal na tak mikroskopijnym poziomie jest kluczowym elementem obliczeń optycznych.
W nowoczesnej technologii elektrony przemieszczające się przez druty miedziane wytwarzają ciepło i napotykają ograniczenia prędkości. Obliczenia optyczne mają na celu zastąpienie elektronów fotonami (cząstkami światła), co może prowadzić do powstania procesorów, które będą znacznie szybsze, bardziej energooszczędne i znacznie bardziej kompaktowe.
Wyzwania i przyszły potencjał
Pomimo obiecujących wyników technologia nie jest jeszcze gotowa do masowej produkcji. Naukowcy zauważyli, że proces hodowania arkuszy MoSe2 nie jest jeszcze doskonały: konieczne było ręczne polerowanie tkaninami jedwabnymi, aby usunąć nierówności.
Znaczenie tego odkrycia wykracza jednak poza pracę z konkretnymi materiałami. MoSe2 należy do dużej rodziny ultracienkich materiałów znanych jako dichalkogenki metali przejściowych (TMD). Sukces eksperymentu dowodzi, że:
1. Tworzenie struktur w oparciu o CSA jest technicznie możliwe.
2. Używając tych warstw, możesz tworzyć metapowierzchnie 2D (powierzchnie inżynieryjne kontrolujące światło).
Ponieważ procesy produkcyjne TMD stają się coraz bardziej niezawodne, badania te mogą utorować drogę nowej generacji „płaskiej” elektroniki – ultrakompaktowych laserów, zaawansowanych kontrolerów fali falowej i szybkich komponentów optycznych zintegrowanych w znacznie mniejszych urządzeniach, niż jest to możliwe obecnie.
Wniosek: Pomyślne wyłapanie światła podczerwonego w warstwie MoSe2 o grubości 42 nm dowodzi, że światło można kontrolować na niespotykaną dotychczas skalę. Jest to krytyczny krok w kierunku stworzenia szybkich i ultrakompaktowych komputerów optycznych.
