5 Minutės
Kur kas mažesniame už dulkelės grūdą mastelyje mokslininkai įvykdė tai, kas anksčiau atrodė beveik neįmanoma: jie sugavo infraraudonąją šviesą inžinieriniu atomo tinklu, vos 42 nanometrų storio. Tai maždaug 2 000 kartų ploniau už žmogaus plauko storį ir net ploniau nei ploniausias popieriaus sluoksnis.
Šį pasiekimą paskelbė Varšuvos universiteto Lenkijoje komanda, ir jis svarbus ne vien fizikos elegancijai. Kai šviesa gali būti valdoma tokiose mažose erdvėse, atsiveria platesnės galimybės kompaktiškiems fotonikos įrenginiams, itin greitoms ryšio sistemoms ir galbūt ateičiai, kurioje elektronika labiau remsis fotonais nei elektronais.
Maža struktūra su labai svarbia užduotimi
Eksperimento centre yra diselenidas molibdeno, paprastai sutrumpinamas MoSe2. Jis priklauso ultraplonyčių medžiagų šeimai, vadinamų pereinamųjų metalų dichalkogenidais arba TMD, kurios sulaukė didelio susidomėjimo dėl savo neįprastų optinių ir elektroninių savybių.
Šiuo atveju mokslininkai panaudojo sluoksniuotą molibdeno ir seleno atomų išdėstymą, kad sukurtų nanometrinę grotelių struktūrą, galinčią sulaikyti infraraudonąją šviesą. Slėpiasi tai medžiagos itin aukštame lūžio rodiklyje, o tai reiškia, kad ji gali efektyviau lenkti ir sulėtinti šviesą nei daugelis kitų medžiagų. Šis sulėtinimas yra esminis, kai tikslas yra apriboti šviesą, o ne leisti jai praeiti pro struktūrą.
Infraraudonoji šviesa ypač sudėtinga valdyti, nes jos bangos ilgis yra ilgesnis už matomos šviesos. Kuo ilgesnis bangos ilgis, tuo sunkiau tą šviesą sutalpinti į labai mažą struktūrą neatsitraukiant nuo jos kontrolės. Įveikti šią ribą reikalauja ne tik gudraus dizaino, bet ir beveik chirurginio tikslumo.
Kaip komanda sukonstravo spąstus
Norėdami paruošti MoSe2 sluoksnius, komanda pasitelkė molekulinio spindulio epitaksiją, gamybos metodą, kuriuo kristalai auginami atomas po atomo itin kontroliuojamoje vakuuminėje aplinkoje. Galima įsivaizduoti tai kaip atominio lygmens spausdinimą. Po plokštelių išaugimo mokslininkai į jas išraižė mikroskopines juostas, palikdami tarpelius, mažesnius už infraraudonosios šviesos, kurią norėta sulaikyti, bangos ilgį.
Tokie subbango ilgio tarpai yra esminiai. Jie padeda suformuoti sąlygas fenomenui, vadinamam sulaikyta būsena kontinuume, arba BIC. Ši frazė skamba prieštaringai, ir iš dalies taip yra. BIC yra būsena, kurioje šviesa lieka įkalinta struktūroje, nors ji egzistuoja kartu su kitomis šviesos bangomis, kurios paprastai išsibarstytų.
Tas keistas pusiausvyros derinys ir daro rezultatą naudingą. Jis leidžia šviesai būti apribotai be įprastinių išėjimo kelių, jei struktūra buvo sukurta itin tiksliai. Prieš statydami įrenginį, mokslininkai kruopščiai modeliavo groteles, kad įsitikintų, jog geometrija palaikys tokį elgesį.
Pasak komandos darbo, jie pasinaudojo stipriu MoSe2 lūžio rodikliu projektuodami ir gamindami subbango ilgio groteles, galinčias talpinti BIC. Paprastai tariant, jie rado būdą, kaip medžiaga ne tik perduotų šviesą, bet ir ją laikytų.
Kodėl tai svarbu fotonikai ir kompiuterijoms
Nedelsiant reikšmė matoma fotonikoje, srityje, kuri naudoja šviesą informacijos perdavimui ir apdorojimui. Jei šviesa gali būti sulaikyta ir valdoma itin mažais masteliais, inžinieriai galės kurti plokštesnius, tankesnius ir potencialiai greitesnius įrenginius lazeriams, bangosfronto kontrolei, jutikliams ir signalo apdorojimui.
Ilgesnio laikotarpio svajonė yra optinis skaičiavimas. Vietoje to, kad būtų pasikliaujama tik elektriniu srautu metalinėse grandinėse, optinės sistemos naudotų fotonus. Tai galėtų sumažinti šilumos generavimą, padidinti greitį ir žymiai sumažinti komponentų dydį. Tačiau kelias dar ilgas. Yra daugybė kliūčių, nuo gamybos nuoseklumo iki integracijos su esama aparatūra. Vis dėlto tokie eksperimentai įrodo, kad fizika pati savaime nebėra esminė kliūtis, kaip kadaise atrodė.
Taip pat yra praktinis inžinerinis iššūkis, kurio nereikėtų nuvertinti. MoSe2 plokštelės šiame tyrime iš gamybos neišėjo visiškai be trūkumų. Komanda turėjo jas poliruoti šilkinėmis servetėlėmis, kad pašalintų nelygumus. Ši detalė gali skambėti kukliai, bet ji atspindi nanomokslo tikrąją istoriją: pažanga dažnai priklauso nuo kruopštaus tobulinimo, o ne vien dramatiškų proveržių.
Vis dėlto mokslininkai optimistiški, kad metodą galima patobulinti ir pritaikyti kitoms TMD medžiagoms. Jei tai pavyktų, toks požiūris galėtų tapti platesne platforma nanoskaliniam šviesos valdymui, o ne vienkartiniu demonstravimu.
Eksperto įžvalga
“Tai, kas daro šį rezultatą įdomų, nėra vien tai, kad šviesa buvo sulaikyta, bet kad ji buvo sulaikyta medžiagų sistemoje, pakankamai mažoje, kad tai būtų svarbu būsimiems įrenginiams,” sako dr. Elena Marković, fiktyvi fotonikos tyrėja. “Matome tokį tikslumą, kuris galiausiai galėtų paremti itin kompaktiškus lazerius, pažangius jutiklius ir integruotas optines grandines. Dabar iššūkis yra paversti laboratorinę sėkmę pakartojama technologija.”
Tai yra tikroji šio darbo pranašumas. Tai nėra baigtinis produktas ir neturi tokiu būti. Tai įrodymas, kad šviesos taisyklės gali būti išlenktos su pakankamai rūpesčio, modeliavimo ir kontrolės atliekant medžiagas atominiu lygiu. Ir lenktynėse dėl mažesnės, greitesnės ir efektyvesnės technologijos tai nėra mažas dalykas.
Palikite komentarą