גביש דו-מימדי למלרי המורכב משכבות דקות אטומיות של יודיד עופרת (PbI2) יכול לשמש לייצור דור חדש של מעגלים המשתמשים באור ובתנודות מכניות (ולא באלקטרונים) כדי להעביר מידע בטווח התדרים של טרה-הרץ.
חוקרים במרכז הברזילאי למחקר באנרגיה וחומרים (CNPEM), בשיתוף עם עמיתים מאוניברסיטת ליל (צרפת) ומוסדות בינלאומיים אחרים, חקרו את הטכנולוגיה הזו ופרסמו את ממצאיהם ב-תקשורת טבע.
פס הטרה-הרץ מתאים לאזור -נמוך באנרגיה של הספקטרום האלקטרומגנטי הממוקם בין אינפרא אדום לגלי מיקרו. למרות זאת, הוא נחשב חיוני לפיתוח טכנולוגיות תקשורת-במהירות גבוהה.
"היום, Wi-Fi ו-5G פועלים בתדרים של כמה גיגה-הרץ (GHz, 109הרץ). אבל יש עניין להתקדם לעבר מאות גיגה-הרץ, או אפילו טרה-הרץ (1012הרץ), מכיוון שככל שהתדר גבוה יותר, כך רוחב הפס ויכולת העברת הנתונים גדולים יותר", אומר ראול דה אוליביירה פרייטס, ראש קו הקרן של Imbuia במעבדת האור סינכרוטרון הברזילאית (LNLS-CNPEM) ומתאם המחקר.
המחקר חקר כיצד לייצר גביש שכבות-איכותי המסוגל לפעול כמוווה גל לקרינה בטווח תדרים זה באמצעות יודיד עופרת, חומר זול.
פלטפורמה זו יכולה לתפקד בתור מהוד, המגביל אור ובוחר תדרים ספציפיים על ידי הגברה של אופני תנודה מסוימים. זה יכול לתפקד גם כמפצל אלומה, שמפצל אלומת אור לשני נתיבים או יותר כדי לאפשר את הפצת האות האופטי, או כמאפנן, שמשנה את תכונות האור, כגון עוצמה, פאזה או תדר, כדי לקודד מידע.
ההיבט החדשני ביותר של העבודה הוא היכולת להגביל אור בנפחים קטנים בהרבה מאורך הגל שלו.
"בתחום הטרה-הרץ, לאור יש אורכי גל של מאות מיקרומטרים. מה שאנחנו עושים זה להגביל את האור הזה בתוך אזורים תת-מיקרומטרים", מסביר פרייטס.
הדבר מתאפשר הודות להיווצרותם של פונון-פולריטונים, שהם קוואזי-חלקיקים היברידיים המשלבים את התנודות של האטומים בסריג הגביש (פונונים) עם אור.
"זה כאילו הפונון היה לבוש באור, ויוצר קוואזי-חלקיק בעל תכונות ייחודיות. מאפייני ההתפשטות והאינטראקציה עם החומר של הקוואזי-חלקיקים הללו שונים הן מאור מבודד והן מפונונים מבודדים", מעיר החוקר.
הכליאה הקיצונית של האור כרוכה בפעולה מעבר לגבול העקיפה, המגבילה את הרזולוציה של מערכות אופטיות קונבנציונליות.
"באופטיקה קלאסית, לא ניתן לצפות או לבצע מניפולציות במבנים קטנים בהרבה מאורך הגל של האור. עם פולריטונים, הצלחנו להתגבר על הגבול הזה", אומר פרייטס.
כדי להשיג זאת, החוקרים השתמשו במיקרוסקופיית סריקה אופטית (s-SNOM) מפיזור-סוג קרוב-שדות, טכניקה שמשתמשת בקצות מתכת ננומטריות כדי לדחוס שדות אלקטרומגנטיים בצורה קיצונית.
"הקצה פועל כאנטנה ויוצר נקודה חמה של שדה חשמלי עם ממדים בסדר גודל של עשרות ננומטרים, ללא תלות באורך הגל המקורי. זה מאפשר הפחתה דרסטית בקנה המידה המרחבי של האור", אומר פרייטס.
"יתר על כן, צפיפות השדה החשמלי ב-בדיקות SNOM היא עד 105פעמים גבוה יותר מאשר בגלים חופשיים, מה שמסביר את העליונות של הטכניקה למחקר ננופוטוני. הצלחנו להגביל גל של 200 מיקרומטר לנפח קטן מ-50 ננומטר".
ממצא מרכזי נוסף של המחקר היה גורם האיכות הגבוה של הפונונים-פולריטונים ב-PbI2. גורם האיכות הוא מדד לכמה זמן התנודה נמשכת לפני התפוגגות.
"ככל שהמערכת מתנודדת זמן רב יותר, כך גורם האיכות גבוה יותר. PbI2ביצועים בהשוואה לבורון ניטריד משושה (hBN), שהוא חומר הייחוס בתחום האינפרא אדום", אומר פרייטס.
תחליף פשוט ובר קיימא
שלא כמו יודיד עופרת, בורון ניטריד משושה (hBN) הוא חומר שקשה מאוד לסנתז, הדורש תנאי לחץ וטמפרטורה קיצוניים. אפילו לאחר יותר משני עשורים של מחקר, קבוצות מעטות ברחבי העולם שלטו בייצור חומר זה באיכות גבוהה. יתר על כן, המאפיינים שלו הופכים אותו למתאים לטווח האינפרא אדום האמצעי- אך לא לטווח הטרה-הרץ.
לעופרת יודיד, לעומת זאת, יש שני מבשרים זולים, המופיעים באופן טבעי: יוד ועופרת. ניתן גם להתגבש בצורה פשוטה במיוחד.
"פשוט ממיסים את המלח במים עד שמתקבלת תמיסה על-רוויה ומחממים אותה לכ-80 מעלות צלזיוס-דבר שניתן לעשות על תנור ביתי. במהלך הקירור, החומר מתגבש ויוצר מבנים שניתן לאסוף", אומר החוקר.
היכולת לתמרן אור בקנה מידה ננו, סוללת את הדרך למעגלים פוטוניים משולבים המסוגלים להחליף או להשלים מעגלים אלקטרוניים.
"כיום, מידע מועבר בתוך מכשירים באמצעות אלקטרונים. שימוש באור יכול להגביר באופן דרסטי את המהירות ולהפחית הפסדים. זה מקביל למה שקרה בתחום הטלקומוניקציה", אומר פרייטס.
"בעבר השתמשנו בכבלים חשמליים; היום אנחנו משתמשים בסיבים אופטיים, שמאפשרים מהירויות הרבה יותר גבוהות. אפשר ליישם את אותו עיקרון בתוך שבבים. ובנוסף למהירויות גבוהות יותר, יש חיסכון באנרגיה: האור סובל מהרבה פחות הפסדים מאשר זרמים חשמליים. זה יכול להביא לפתרונות יעילים וברי קיימא יותר".
