5 Minutit
Väga palju väiksemas mõõtkavas kui tolmutera on teadlased teinud midagi, mis varem kõlas peaaegu võimatuna: nad on lõksu pannes infrapunavalguse konstrueeritud aatomvõrgus, mis on vaid 42 nanomeetrit paks. See on ligikaudu 2000 korda õhem kui inimese juuksekarv ja veelgi õhem kui õrnim paberikiht.
Selle saavutuse taga on meeskond Varssavi ülikoolist Poolas, ning see on oluline rohkemal põhjusel kui vaid füüsika ilu. Kui valgust saab kontrollida nii tillukestes ruumides, avaneb veidi laiem tee kompaktsete fotoniliste seadmete, väga kiirete side- ja andmetöötlussüsteemide ning võib-olla tuleviku suunas, kus elektroonika toetub rohkem footonitele kui elektronidele.
Väike struktuur suure ülesandega
Katse keskne materjal on molübdeenidiseleniid, tavaliselt lühendatult MoSe2. See kuulub ultrakihtide materjalide hulka, mida nimetatakse üleminekmetallide dihalkogeniidideks (TMD) ja mis on pälvinud suurt tähelepanu oma ebatavaliste optiliste ja elektriliste omaduste tõttu.
Selles uuringus kasutasid teadlased molübdeeni ja seleeni atomite kihilist paigutust, et luua nanomeetrimõõtu sooneline struktuur, mis suutis hoida infrapunavalgust paigal. Saladuseks on materjali erakordselt kõrge murdumisnäitaja, mis tähendab, et see suudab valgust teistest ainetest tõhusamalt kõveraks painutada ja aeglustada. See aeglustav efekt on otsustava tähtsusega, kui eesmärk on valgust piirata, mitte lasta sellel läbi voolata.
Infrapunavalgust on eriti keeruline käsitleda, sest selle lainepikkus on nähtavast valgusest pikem. Mida pikem lainepikkus, seda raskem on seda valgust väga väikestesse struktuuridesse pressida ilma selle üle kontrolli kaotamata. Selle piiri ületamine nõuab mitte ainult nutikat disaini, vaid peaaegu kirurgilist täpsust.
Kuidas meeskond lõksu ehitas
MoSe2 kihtide loomiseks kasutas meeskond molekulaarkiire epitaaksiat, tootmismeetodit, mis kasvatab kristalle aatom haaval väga kontrollitud vaakumikeskkonnas. Mõelge sellele kui aatomiskaalalisele printimisele. Pärast lehtede kasvatamist lõikasid uurijad neisse mikroskoopilised triibud, jättes vahed, mis olid väiksemad kui infrapunavalguse lainepikkus, mida nad soovisid piirata.
Need ala-lainepikkusest väiksemad vahed on hädavajalikud. Need aitavad tekitada tingimused nähtuse jaoks, mida tuntakse kontinuumis seotud oleku ehk BIC-ina. See väljend kõlab vastuoluliselt ja teatud mõttes ongi. BIC on olek, kus valgus jääb struktuuri sisse kinni, kuigi see eksisteerib koos teiste valguslainetega, mis tavapäraselt kiirguksid eemale.
See kummaline tasakaal ongi tulemuse kasuteguri allikas. See võimaldab valgust piirata ilma tavapäraste väljapääsudeta, eeldusel et struktuuri on disainitud erakordse täpsusega. Enne seadme ehitamist modelleerisid uurijad hoolikalt soonestruktuuri, et veenduda, kas geomeetria suudab seda käitumist toetada.
Uurimisrühma artikli kohaselt kasutati MoSe2 tugevat murdumisnäitajat subwavelength-soonide disainimiseks ja valmistamiseks, mis suudavad majutada BIC-e. Lihtsas keeles leidis meeskond viisi, kuidas muuta materjal mitte ainult valguse kandjaks, vaid ka selle hoidjaks.
Miks see fotonika ja arvutuse jaoks tähtis on
Vahetu tähendus peitub fotonikas, valdkonnas, mis kasutab valgust info kandmiseks ja töötlemiseks. Kui valgust saab väga väikestes mastaapides lõksu panna ja manipuleerida, saavad insenerid ehitada lamedamaid, tihedamaid ja potentsiaalselt kiiremaid seadmeid laserite, lainefrondi juhtimise, sensori- ja signaalitöötluse jaoks.
Pikemaajaline unistus on optiline arvutus. Elektrivoolu asemel, mis liigub metallpõhistes vooluahelates, kasutaksid optilised süsteemid footoneid. See võiks vähendada soojust, suurendada kiirust ja oluliselt vähendada komponentide suurust. Tee on siiski pikk. Takistusi on palju, alates tootmiskonsistentsist kuni integreerimiseni olemasoleva riistvaraga. Kuid sellised eksperimendid näitavad, et füüsika ise ei ole enam see takistus, mis varem tundus ületamatu.
Siin on ka praktiline insenertehniline väljakutse, mida ei tohiks alahinnata. Selles uuringus ei olnud MoSe2 lehed tootmisest tulles täiesti veatud. Meeskond pidi nende ebatasasuste eemaldamiseks lihvima neid silkkäterätikutega. See detail võib tunduda tagasihoidlik, kuid see peegeldab nanoteaduse tegelikku lugu: edusammud sõltuvad sageli peenest lihvimisest, mitte üksnes dramaatilistest läbimurretest.
Isegi nii on teadlased optimistlikud, et meetodit saab täiustada ja kohandada teistele TMD-materjalidele. Kui see õnnestub, võiks lähenemine muutuda laiemaks platvormiks nanoskaalaliseks valguse kontrolliks, mitte vaid üksikdemonstratsiooniks.
Eksperdi ülevaade
„See, mis teeb selle tulemuse põnevaks, ei ole lihtsalt see, et valgus jäi lõksu, vaid et see jäi lõksu materjalisüsteemis, mis on piisavalt väike, et omada tähtsust tulevaste seadmete jaoks,” ütleb dr Elena Markovic, väljamõeldud fotonikauurija. „Me näeme sellist täpsust, mis võiks lõpuks toetada ülitihedaid lasereid, arenenud sensoreid ja integreeritud optilisi ahelaid. Väljakutse on nüüd muuta laboratoorse edu reprodutseeritavaks tehnoloogiaks.”
See ongi selle töö tõeline eelis. See ei ole valmis toode ega peakski olema. See on tõestus, et valguse reegleid saab piisava hoolikuse, modelleerimise ja aine aatomitasandi kontrolliga kallutada. Ja võistluses väiksemate, kiiremate ja tõhusamate tehnoloogiate nimel ei ole see väike saavutus.
Jäta kommentaar