Vilniaus universiteto fizikos fakulteto mokslininkai, bendradarbiaudami su Łódź technologijos universitetu ir Varšuvos technologijos universitetu, sukūrė naują nanometrinį struktūrą, kuri sugeba užfiksuoti infraraudonąją šviesą tik 40 nanometrų storio sluoksnyje. Ši inovacija remiasi subbangų tinklu, pagamintu iš molibdeno diselenido (MoSe2), medžiagos, pasižyminčios išskirtinėmis šviesos lenkimo savybėmis. Tyrimo rezultatai buvo publikuoti prestižiniame žurnale ACS Nano.
Šviesos manipuliavimas nanometriniu mastu
Šiuolaikinės technologijos plėtra reikalauja gebėjimo manipuliuoti šviesa ekstremaliame mažame mastelyje. Tradicinė elektronika pasiekia savo ribas, o fotonika siūlo alternatyvą, naudojančią šviesą vietoj elektronų informacijai perduoti. Kadangi fotonai juda greičiau ir neturi masės kaip elektronai, šviesos pagrindu veikiantys prietaisai gali būti greitesni ir mažesni, atveriant kelią galingesnėms ir kompaktiškesnėms technologijoms.
Šviesos bangos ilgis ir jo iššūkiai
Šviesa elgiasi tiek kaip dalelė, tiek kaip banga, o šis bangos pobūdis sukelia tam tikrų apribojimų. Kiekviena šviesos rūšis turi savo bangos ilgį, kuris lemia, kaip mažas gali būti struktūra, kad efektyviai ją kontroliuotume. Matoma šviesa turi bangos ilgį, siekiantį kelis šimtus nanometrų, o infraraudonoji šviesa siekia mikrometrą ar daugiau. Tai kelia svarbų klausimą: ar galima užfiksuoti šviesą struktūrose, kurios yra mažesnės už jos paties bangos ilgį?
Revoliucija naudojant molibdeno diselenidą
Mokslininkai parodė, kad tai įmanoma. Sukūrę subbangų tinklą, jie sugebėjo užfiksuoti infraraudonąją šviesą 40 nanometrų storio sluoksnyje. Ši struktūra sudaryta iš glaudžiai išdėstytų paralelinių juostų, kurios su šviesa elgiasi panašiai kaip prizmas. Kai šios juostos yra arčiau nei šviesos bangos ilgis, tinklas gali veikti kaip beveik tobulas veidrodis, kartu sulaikydamas šviesą labai mažame tūryje.
Infraraudonąją šviesą paverčiant matoma šviesa
Maža to, MoSe2 suteikia papildomų pranašumų. Jis sudaro sluoksniuotus struktūras, tačiau skirtingai nuo grafeno, tai yra puslaidininkis. Jis taip pat rodo nelinearinį optinį elgesį, įskaitant trečiosios harmonijos generavimo procesą. Šio proceso metu trys infraraudonieji fotonai susijungia į vieną fotoną su aukštesne dažnių reikšme, taip efektyviai konvertuodami infraraudonąją šviesą į matomą mėlyną šviesą. Mokslininkai nustatė, kad šis poveikis yra daugiau kaip 1,500 kartų stipresnis nei plokščiame sluoksnyje iš tos pačios medžiagos.
Praėjusio proceso iššūkiai ir nauji pasiekimai
Ankstesnės tokios struktūros, pagamintos iš silikoninių ar galliumo junginių, reikalavo kelių šimtų nanometrų storio, kad galėtų veiksmingai funkcionuoti. Mažinant jų dydį, jos prarasdavo savo gebėjimą užfiksuoti šviesą. Naujoji metodika, naudojanti molibdeno diselenidą, leidžia žymiai sumažinti storį ir efektyviai sulaikyti šviesą. Be to, šis sluoksnis buvo pagamintas naudojant molekulinę pluošto epitaksiją (MBE), kuri leido sukurti didelius, vienodus MoSe2 filmus, išsiskiriančius kelių kvadratinių colių plote, tačiau išlaikant 40 nanometrų storį.
Perspektyva fotoninėms technologijoms
Šie rezultatai rodo, kad molibdeno diselenidas, pagamintas šiuo būdu, gali žymiai pakeisti šviesos valdymo būdus ateities technologijose. Struktūros nebereikia būti storos, kad efektyviai manipuliuotų šviesa. Vietoj to, ekstremaliai ploni sluoksniai gali atlikti tą pačią funkciją, o kai kuriais atvejais net geriau. Kadangi gamybos metodas yra skalabilus, kelias į realias aplikacijas, tokias kaip fotoninės integruotos grandinės, tampa vis realesnis.
Finansavimas ir parama
Tyrimą finansavo Nacionalinis mokslo centras pagal projektus OPUS 2020/39/B/ST7/03502 ir 2021/41/B/ST3/04183, taip pat Europos Sąjungos lėšomis pagal ERC-ADVANCED grantą Nr. 101053716, Lenkijos mokslo fondo projektą ENG.02.01-IP.05-T004/23 ir Vilniaus universitetą pagal iniciatyvą – Tyrimų universitetas (IDUB) Naujų idėjų prioritetinių tyrimų srityse II Nr. 501-D111-20-2004310 pavadinimu “Ultrathin subwavelength gratings based on dichalcogenides.”
