Infrasarkanās gaismas slazds atomu režģī 42 nm biezumā

Mērogā, kas daudz mazāks par putekļa graudu, pētnieki ir paveikuši to, kas reiz šķita gandrīz neiespējams: viņi ir ieslodzījuši infrasarkano gaismu inženierētā atomu režģī, kura biezums ir tikai 42 nanometri. Tas ir aptuveni 2000 reižu plānāks par cilvēka matiņu un pat plānāks par plānāko papīra kārtu.

Sasniegumu panāca Varšavas Universitātes komanda Polijā, un tas ir nozīmīgs ne tikai fizikas elegances dēļ. Ja gaismu var kontrolēt tik sīkos apjomos, tas atver plašākas iespējas kompaktiem fotonikas ierīcēm, ļoti ātrām sakaru sistēmām un iespējams pat nākotnei, kurā elektronika vairāk balstās uz fotoniem nekā uz elektroniem.

Sīka struktūra ar ļoti lielu uzdevumu

Eksperimenta centrālais materiāls ir molibdēna diselenīds, parasti saīsināts kā MoSe2. Tas pieder pie ultraplāno materiālu saimes, ko sauc par tranzicionālo metālu dihalogenīdiem (TMD), kuri ir piesaistījuši lielu interesi savas neparastās optiskās un elektroniskās īpašības dēļ.

Šajā gadījumā pētnieki izmantoja molibdēna un sēlija atomu slāņveida izvietojumu, lai izveidotu nanometru mēroga režģi, kas varētu noturēt infrasarkano gaismu vietā. Noslēpums slēpjas materiāla izcili augstajā lauzšanas rādītājā, kas nozīmē, ka tas spēj efektīvāk saliekt un palēnināt gaismu nekā daudzi citi materiāli. Šī palēnināšana ir izšķiroša, ja mērķis ir ierobežot gaismu, nevis to caurlaist.

Infrasarkanā gaisma ir īpaši sarežģīta pārvaldīt, jo tās viļņa garums ir garāks nekā redzamajai gaismai. Jo garāks viļņa garums, jo grūtāk ir ietilpināt šo gaismu ļoti mazā struktūrā, nezaudējot kontroli pār to. Šīs robežas pārvarēšanai nepieciešama ne tikai radoša konstrukcija, bet arī gandrīz ķirurģiska precizitāte.

Kā komanda uzbūvēja slazdu

Lai izveidotu MoSe2 slāņus, komanda izmantoja molekulārās staru epitaksijas metodi, ražošanas paņēmienu, kas audzē kristālus atoms pa atomam ultra kontrolētā vakuuma vidē. To var uzskatīt par atomu mēroga drukāšanu. Pēc plākšņu audzēšanas pētnieki izgreba tajās mikroskopiskas svītras, atstājot spraugas, kas ir mazākas par infrasarkanās gaismas viļņa garumu, kuru viņi vēlējās ierobežot.

Šīs subviļņu spraugas ir būtiskas. Tās palīdz izveidot apstākļus fenomenam, ko sauc par saistīto stāvokli kontinuumā, jeb BIC. Frāze šķiet pretrunīga, un zināmā mērā tā arī ir. BIC ir stāvoklis, kurā gaisma paliek ieslodzīta struktūrā, pat ja tā pastāv blakus citām gaismas viļņu formām, kas parasti izstarotos prom.

Šī dīvainā līdzsvara dēļ rezultāts ir tik noderīgs. Tas ļauj gaismai tikt ierobežotai bez ierastajiem izvairīšanās ceļiem, ja struktūra ir izstrādāta ar izcili augstu precizitāti. Pirms ierīces izgatavošanas pētnieki rūpīgi modelēja režģi, lai pārliecinātos, ka ģeometrija atbalstīs šo uzvedību.

Saskaņā ar komandas rakstu viņi izmantoja MoSe2 spēcīgo lauzšanas rādītāju, lai projektētu un izgatavotu subviļņu režģus, kas spēj mitināt BIC. Vienkārši sakot, viņi atrada veidu, kā padarīt materiālu ne tikai gaismas pārnēsāšanai, bet arī tās noturēšanai.

Kāpēc tas ir svarīgi fotonikā un skaitļošanā

Tiešā nozīme ir fotonikā, jomā, kas izmanto gaismu informācijas pārnesei un apstrādei. Ja gaismu var notvert un manipulēt ar to ārkārtīgi mazā mērogā, inženieri var būvēt plānākas, blīvākas un potenciāli ātrākas ierīces lāzeriem, viļņu frontes kontrolei, jutīšanai un signālu apstrādei.

Ilgtermiņa sapnis ir optiskā skaitļošana. Tā vietā, lai paļautos tikai uz elektriskā strāvas plūsmu metāla shēmās, optiskās sistēmas izmantotu fotonus. Tas varētu samazināt siltumu, palielināt ātrumu un ievērojami samazināt komponentes. Ceļš vēl ir garš. Pastāv daudz šķēršļu, sākot no ražošanas vienveidības līdz integrācijai ar esošo aparatūru. Taču šādi eksperimenti rāda, ka fizika pati par sevi vairs nav šķērslis, kā šķita agrāk.

Ir arī praktisks inženierijas izaicinājums, ko nevajadzētu ignorēt. Šī pētījuma MoSe2 plāksnītes nebija ideāli gludas uzreiz pēc ražošanas. Komandai tās nācās pulēt ar zīda audumiem, lai noņemtu nelīdzenumus. Šī detaļa var šķist pieticīga, taču tā atklāj nanzinātnes patieso būtību: progress bieži balstās uz rūpīgu uzlabošanu, ne tikai uz dramatiskām atklāsmēm.

Neskatoties uz to, pētnieki ir optimistiski, ka metodi var uzlabot un pielāgot citiem TMD materiāliem. Ja tas notiks, šī pieeja var kļūt par plašāku platformu nanoskalālas gaismas kontrolei, ne tikai vienreizējai demonstrācijai.

Eksperta ieskats

„Tas, kas padara šo rezultātu aizraujošu, nav tikai tas, ka gaisma tika notverta, bet gan tas, ka tā tika notverta materiālu sistēmā, pietiekami mazā, lai būtu nozīmīga nākotnes ierīcēm,” saka Dr. Elena Markovic, fiktīva fotonikas pētniece. „Mēs redzam tādu precizitāti, kas galu galā varētu atbalstīt ļoti kompaktus lāzerus, uzlabotus sensorus un integrētas optiskas shēmas. Tagad izaicinājums ir pārvērst laboratorijas panākumu reproducējamā tehnoloģijā.”

Tā ir šī darba īstā vērtība. Tas nav gatavs produkts, un tam tas nav jābūt. Tas ir pierādījums tam, ka gaismas likumus var elastīgi mainīt ar pietiekami rūpīgu pieeju, rūpīgu modelēšanu un pietiekamu kontroli pār vielu atomu līmenī. Un sacensībā radīt mazāku, ātrāku un efektīvāku tehnoloģiju tas nav nieks.