Yeni bir çalışma, Terahertz (THz) ışığının yeni bir katmanlı malzeme türü kullanarak nano ölçekli boyutlara hapsedilmesini başarıyla gösterdi. Bu, uzaktan kumandalarda kullanılan kızılötesi yayanlar ve gece görüşü ve fiziksel güvenlik ve çevresel algılama için istenen terahertz optikleri gibi optoelektronik cihazlarda iyileştirmelere yol açabilir.
“Hafnium dikalkogenidlerde ultraconfined terahertz fonon polaritonları” makalesi, Doğa Malzemeleri. Araştırma, Makine Mühendisliği Profesörü ve Vanderbilt Üniversitesi’nde Disiplinlerarası Materyaller Bilim Lisansüstü Programı Direktörü Josh Caldwell ve Technische Universität Dresden (Tud) ‘dan Prof. Lukas M. Eng ile işbirliği içinde Alex Paarmann, Almanya tarafından yönetildi.
THz teknolojisi yüksek hızlı veri işleme vaat ederken, onu kompakt cihazlara entegre etmek uzun dalga boyu nedeniyle zorlu olmuştur. Geleneksel malzemeler THz ışığını etkili bir şekilde sınırlamak için mücadele ederek minyatürleştirme potansiyelini sınırladı.
Bunu ele almak için araştırma ekibi, Hafnium ve kükürt veya selenyum gibi kalkojen elemanlarından oluşan bir tür katmanlı malzeme olan Hafnium dikalkogenitleri kullandı. Fonon polariton (bir kristalde kafes titreşimleri olan fotonların birleştirilmesinden kaynaklanan bir tür quasipartikül türü), THz ışığının aşırı bir hapsedilmesini sağladılar ve 50 mikronun üzerinde THz dalga boylarını 250 nanometreden daha az olan boyutlara sıkıştırdılar. Bu, daha fazla enerji tasarruflu THz cihazının yolunu açarak minimal enerji kaybı ile gerçekleştirildi.
Caldwell, “Bir işbirlikçisi Artem Mishchenko, bu ilerlemeyi bağlamda koydu ve 200 kattan fazla ışık dalgalarının sıkışmasının okyanus dalgalarını almaya ve onları bir çay fincanı ile sınırlamaya benzer.”
Ekibin işbirlikçi araştırması, nano-atom ölçeğinde hafif ve maddenin nasıl etkileşime girdiğini, doğrusal olmayan optikler üzerindeki etkilerini ve bu değişikliklerin dökme malzemelerden nasıl farklı olduğunu anlamaya odaklandı. Bu, optik spektral alan (öncelikle kızılötesi) içindeki polaritonlar kullanılarak ışığın alt difraksiyonel sınırını, nano ölçekli optik bileşenlerin tasarımını ve yeni optik, elektro-optik ve elektronik malzemeleri tanımlamayı ve karakterize etmeyi içerir.
Caldwell, “Bu, bir lise öğrencisi için bir yaz araştırma projesi olarak başladı, ancak hızla eşi görülmemiş bir optik hapsetmenin heyecan verici bir gözlemine dönüştü.” Dedi.
Çalışma, Berlin merkezli FHI, Vanderbilt ve Tu Dresden arasında uzun süredir devam eden bir işbirliğinden, Engnroup tarafından Helmoltz-Zentrum-Zentrum-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Almanya’da kurulan yakın alan optik mikroskopi uç istasyonunu kullanarak ortaya çıktı. Bu son istasyonu, TU Dresden ve HZDR arasındaki sıkı işbirliğinde son 15 yıldır kullanıcı laboratuvarı olarak geliştirilmiştir ve korunmuştur.
Tu Dresden’den Lukas Eng’den Lukas Eng, “Fonon polaritonları yoluyla ultra yüksek THz ışık sıkıştırmasını, örneğin HZDR serbest elektron lazerideki yakın alan mikroskobumuzun aşırı nano ölçekli görüntüleme yeteneklerini gerektiriyor.” Dedi.
Sonuçlar, çevre algılama ve güvenlik görüntülemedeki uygulamalar için gerekli olan ultra kompakt THz rezonatörlerinin ve dalga kılavuzlarının geliştirilmesine yol açabilir. Bu malzemelerin van der Waals hetero-yapılarına entegrasyonu (zayıf dikey etkileşime sahip iki boyutlu malzemelerin katmanlarının istiflenmesiyle yapılan yapılar), nano ölçekli optoelektronik entegrasyon için yeni fırsatlar sunarak 2B malzeme araştırmalarının yeteneklerini daha da artırabilir.
Araştırmacılar, çalışmanın sadece Hafnium dikalkogenitleri THz uygulamaları için umut verici bir platform olarak vurgulamadığını, aynı zamanda ultra güçlü veya hatta derin güçlü ışık bağlantısı yoluyla yeni fiziği keşfetme zemini ayarladığını söyledi. Bulgular, yüksek verimli malzeme taramasının THz teknolojisi için daha etkili materyalleri tanımlayabileceği ve bu kritik alanda inovasyonu artırabileceği bir gelecek olduğunu göstermektedir.
Paarmann, “Hafnium dikalkogenitlerle yaptığımız çalışmalar, THz teknolojisinin sınırlarını nasıl zorlayabileceğimizi gösteriyor ve potansiyel olarak optoelektronik entegrasyona yaklaşımımızı dönüştürüyor.” Dedi.
