ผลึกลาเมลลาร์สอง-มิติที่ประกอบด้วยชั้นบางๆ ของตะกั่วไอโอไดด์ (PbI)2) สามารถใช้ในการผลิตวงจรรุ่นใหม่ที่ใช้แสงและการสั่นสะเทือนทางกล (แทนที่จะเป็นอิเล็กตรอน) เพื่อส่งข้อมูลในช่วงความถี่เทราเฮิร์ตซ์
นักวิจัยจากศูนย์วิจัยพลังงานและวัสดุแห่งบราซิล (CNPEM) ร่วมกับเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยลีลล์ (ฝรั่งเศส) และสถาบันระหว่างประเทศอื่นๆ ได้ศึกษาเทคโนโลยีนี้และตีพิมพ์ผลการวิจัยในการสื่อสารธรรมชาติ.
แถบเทราเฮิร์ตซ์สอดคล้องกับบริเวณพลังงานต่ำ-ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตั้งอยู่ระหว่างอินฟราเรดและไมโครเวฟ อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสารความเร็วสูง-ถือเป็นสิ่งสำคัญ
"ทุกวันนี้ Wi-Fi และ 5G ทำงานที่ความถี่ไม่กี่กิกะเฮิรตซ์ (GHz, 109เฮิรตซ์). แต่มีความสนใจที่จะเคลื่อนไปสู่ระดับหลายร้อยกิกะเฮิรตซ์ หรือแม้แต่เทระเฮิรตซ์ (1012เฮิรตซ์) เพราะยิ่งความถี่สูง แบนด์วิธและความสามารถในการรับส่งข้อมูลก็จะยิ่งมากขึ้น" Raul de Oliveira Freitas หัวหน้าฝ่ายลำแสง Imbuia ที่ห้องปฏิบัติการแสงซินโครตรอนของบราซิล (LNLS-CNPEM) และผู้ประสานงานการศึกษากล่าว
การศึกษาได้ศึกษาวิธีการผลิตผลึกชั้นคุณภาพสูง-ที่สามารถทำหน้าที่เป็นท่อนำคลื่นสำหรับการแผ่รังสีในช่วงความถี่นี้โดยใช้ตะกั่วไอโอไดด์ซึ่งเป็นวัสดุที่มีราคาไม่แพง
แพลตฟอร์มนี้สามารถทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนเสียง ซึ่งจะจำกัดแสงและเลือกความถี่เฉพาะโดยการขยายโหมดการสั่นบางโหมด นอกจากนี้ยังอาจทำหน้าที่เป็นตัวแยกลำแสง ซึ่งแยกลำแสงออกเป็นสองเส้นทางขึ้นไปเพื่อให้สัญญาณแสงถูกกระจาย หรือเป็นตัวปรับซึ่งเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของแสง เช่น ความเข้ม เฟส หรือความถี่ เพื่อเข้ารหัสข้อมูล
ลักษณะที่เป็นนวัตกรรมใหม่ของงานนี้คือความสามารถในการจำกัดแสงให้อยู่ในปริมาตรที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของมันมาก
“ในช่วงเทราเฮิร์ตซ์ แสงมีความยาวคลื่นหลายร้อยไมโครเมตร สิ่งที่เราทำคือจำกัดแสงนี้ให้อยู่ภายในขอบเขตไมโครมิเตอร์” Freitas อธิบาย
สิ่งนี้เกิดขึ้นได้โดยการก่อตัวของโฟนอน-โพลาริตอน ซึ่งเป็นควอซิพาร์ติคัลลูกผสมที่รวมการสั่นสะเทือนของอะตอมในโครงผลึก (โฟนัน) เข้ากับแสง
นักวิจัยให้ความเห็น "มันเหมือนกับว่าโฟนอนถูกแต่งแต้มด้วยแสง กลายเป็น Quasiparticle ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว ลักษณะการแพร่กระจายและการมีปฏิสัมพันธ์กับสสารของอนุภาคควาซิพพาร์ติเคิลเหล่านี้แตกต่างจากทั้งแสงที่แยกได้และโฟนันที่แยกได้"
การจำกัดแสงในระดับสูงสุดเกี่ยวข้องกับการทำงานเกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ซึ่งจำกัดความละเอียดของระบบออพติคอลแบบเดิมๆ
“ในทัศนศาสตร์แบบคลาสสิกนั้น ไม่สามารถสังเกตหรือปรับเปลี่ยนโครงสร้างที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงได้มากนัก ด้วยโพลาริตอน เราสามารถเอาชนะขีดจำกัดนั้นได้” Freitas กล่าว
เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ นักวิจัยได้ใช้กล้องจุลทรรศน์สแกนด้วยแสงแบบส่องสนาม-ชนิดใกล้- (s-SNOM) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ปลายโลหะระดับนาโนเพื่อบีบอัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างมาก
“ส่วนปลายทำหน้าที่เป็นเสาอากาศและสร้างฮอตสปอตสนามไฟฟ้าที่มีขนาดหลายสิบนาโนเมตร โดยไม่คำนึงถึงความยาวคลื่นดั้งเดิม ซึ่งช่วยลดขนาดแสงเชิงพื้นที่ลงได้อย่างมาก” Freitas กล่าว
"นอกจากนี้ ความหนาแน่นของสนามไฟฟ้าในโพรบ s-SNOM ยังสูงถึง 105สูงกว่าคลื่นอิสระหลายเท่า ซึ่งอธิบายความเหนือกว่าของเทคนิคการวิจัยระดับนาโนโฟโตนิก เราสามารถจำกัดคลื่นขนาด 200 ไมโครเมตรให้เป็นปริมาตรที่เล็กกว่า 50 นาโนเมตรได้"
การค้นพบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของการศึกษานี้คือปัจจัยคุณภาพสูงของโฟนอน-โพลาริตอนใน PbI2. ปัจจัยด้านคุณภาพคือการวัดระยะเวลาที่การแกว่งคงอยู่ก่อนที่จะสลายไป
"ยิ่งระบบแกว่งนานขึ้น ปัจจัยด้านคุณภาพก็จะยิ่งสูงขึ้น PbI2ดำเนินการได้เทียบเท่ากับโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN) ซึ่งเป็นวัสดุอ้างอิงในช่วงอินฟราเรด" Freitas กล่าว
สิ่งทดแทนที่เรียบง่ายและยั่งยืน
โบรอนไนไตรด์ (hBN) หกเหลี่ยมแตกต่างจากตะกั่วไอโอไดด์ตรงที่เป็นวัสดุสังเคราะห์ยากมาก ซึ่งต้องใช้สภาวะความดันและอุณหภูมิที่สูงมาก แม้หลังจากการวิจัยมากว่าสองทศวรรษ มีเพียงไม่กี่กลุ่มทั่วโลกที่เชี่ยวชาญในการผลิตวัสดุนี้ด้วยคุณภาพสูง นอกจากนี้ คุณสมบัติของมันยังทำให้เหมาะสำหรับช่วงอินฟราเรด-ช่วงกลางแต่ไม่เหมาะกับช่วงเทราเฮิร์ตซ์
ในทางกลับกัน ตะกั่วไอโอไดด์มีสารตั้งต้นที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติซึ่งมีราคาไม่แพงอยู่ 2 ชนิด ได้แก่ ไอโอดีนและตะกั่ว นอกจากนี้ยังสามารถตกผลึกด้วยวิธีที่ง่ายมากอีกด้วย
"เพียงแค่ละลายเกลือในน้ำจนได้สารละลายที่มีความอิ่มตัวยิ่งยวด และตั้งอุณหภูมิให้ร้อนประมาณ 80 องศาเซลเซียส- ซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถทำได้บนเตาในครัวเรือน ในระหว่างการทำความเย็น วัสดุจะตกผลึก ก่อตัวเป็นโครงสร้างที่สามารถรวบรวมได้" นักวิจัยกล่าว
ความสามารถในการจัดการแสงในระดับนาโนปูทางไปสู่วงจรโฟโตนิกแบบรวมที่สามารถเปลี่ยนหรือเสริมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้
“ปัจจุบัน ข้อมูลถูกส่งภายในอุปกรณ์ผ่านอิเล็กตรอน การใช้แสงสามารถเพิ่มความเร็วได้อย่างมากและลดการสูญเสีย มันคล้ายคลึงกับสิ่งที่เกิดขึ้นในสาขาโทรคมนาคม” Freitas กล่าว
"ก่อนหน้านี้ เราใช้สายไฟ ปัจจุบันเราใช้ใยแก้วนำแสงซึ่งให้ความเร็วที่สูงกว่ามาก หลักการเดียวกันนี้สามารถนำมาใช้ภายในชิปได้ และนอกเหนือจากความเร็วที่สูงขึ้นแล้ว ยังมีการประหยัดพลังงานอีกด้วย แสงจะสูญเสียน้อยกว่ากระแสไฟฟ้ามาก ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดโซลูชันที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนมากขึ้น"
