Một tinh thể dạng phiến hai chiều- bao gồm các lớp chì iodua mỏng có kích thước nguyên tử (PbI2) có thể được sử dụng để chế tạo một thế hệ mạch mới sử dụng các rung động cơ học và ánh sáng (chứ không phải điện tử) để truyền thông tin ở dải tần số terahertz.
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng và Vật liệu Brazil (CNPEM), hợp tác với các đồng nghiệp từ Đại học Lille (Pháp) và các tổ chức quốc tế khác, đã nghiên cứu công nghệ này và công bố phát hiện của họ trên tạp chíTruyền thông thiên nhiên.
Dải terahertz tương ứng với vùng năng lượng-thấp của phổ điện từ nằm giữa tia hồng ngoại và vi sóng. Mặc dù vậy, nó được coi là rất quan trọng để phát triển-công nghệ truyền thông tốc độ cao.
"Ngày nay, Wi-Fi và 5G hoạt động ở tần số vài gigahertz (GHz, 109hertz). Nhưng có sự quan tâm đến việc di chuyển tới hàng trăm gigahertz, hoặc thậm chí terahertz (1012hertz), vì tần số càng cao thì băng thông và khả năng truyền dữ liệu càng lớn", Raul de Oliveira Freitas, người đứng đầu chùm tia Imbuia tại Phòng thí nghiệm ánh sáng Synchrotron Brazil (LNLS-CNPEM) và điều phối viên của nghiên cứu, cho biết.
Nghiên cứu này đã nghiên cứu cách tạo ra tinh thể phân lớp chất lượng cao có khả năng hoạt động như một ống dẫn sóng cho bức xạ trong dải tần số này bằng cách sử dụng chì iodua, một vật liệu rẻ tiền.
Nền tảng này có thể hoạt động như một bộ cộng hưởng, hạn chế ánh sáng và chọn tần số cụ thể bằng cách khuếch đại các chế độ dao động nhất định. Nó cũng có thể hoạt động như một bộ tách chùm, chia chùm ánh sáng thành hai hoặc nhiều đường để cho phép phân phối tín hiệu quang hoặc như một bộ điều biến, làm thay đổi các đặc tính của ánh sáng, chẳng hạn như cường độ, pha hoặc tần số, để mã hóa thông tin.
Khía cạnh sáng tạo nhất của công trình này là khả năng giam giữ ánh sáng trong những thể tích nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của nó.
Freitas giải thích: “Trong phạm vi terahertz, ánh sáng có bước sóng hàng trăm micromet. Những gì chúng tôi làm là giam giữ ánh sáng này trong các vùng dưới micromet”.
Điều này có thể thực hiện được nhờ sự hình thành các phân cực phonon, là các giả hạt lai kết hợp dao động của các nguyên tử trong mạng tinh thể (phonon) với ánh sáng.
Nhà nghiên cứu nhận xét: “Giống như thể phonon được khoác lên mình ánh sáng, tạo thành một giả hạt với các đặc tính độc đáo. Đặc điểm lan truyền và tương tác với vật chất của các quasi hạt này khác với cả ánh sáng cô lập và phonon cô lập”.
Sự giam cầm cực độ của ánh sáng liên quan đến việc hoạt động vượt quá giới hạn nhiễu xạ, giới hạn này hạn chế độ phân giải của các hệ thống quang học thông thường.
Freitas nói: “Trong quang học cổ điển, không thể quan sát hay điều khiển những cấu trúc nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng. Với phân cực, chúng tôi đã vượt qua được giới hạn đó”.
Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi quét quang học trường gần-loại tán xạ (s-SNOM), một kỹ thuật sử dụng đầu kim loại có kích thước nano để nén trường điện từ cực mạnh.
Freitas cho biết: “Đầu nhọn hoạt động như một ăng-ten và tạo ra một điểm nóng điện trường có kích thước hàng chục nanomet, bất kể bước sóng ban đầu như thế nào. Điều này cho phép giảm đáng kể quy mô không gian của ánh sáng”.
"Hơn nữa, mật độ điện trường trong đầu dò s{0}}SNOM lên tới 105cao hơn nhiều lần so với sóng tự do, điều này giải thích tính ưu việt của kỹ thuật nghiên cứu quang tử nano. Chúng tôi có thể giới hạn sóng 200 micromet thành một thể tích nhỏ hơn 50 nanomet.”
Một phát hiện quan trọng khác của nghiên cứu này là hệ số chất lượng cao của các phân cực phonon trong PbI2. Hệ số chất lượng là thước đo thời gian dao động tồn tại trước khi tiêu tan.
“Hệ thống dao động càng lâu thì hệ số chất lượng càng cao. PbI2được thực hiện tương đương với boron nitride lục giác (hBN), là vật liệu tham chiếu trong phạm vi hồng ngoại,” Freitas nói.
Một sự thay thế đơn giản và bền vững
Không giống như chì iodide, boron nitride lục giác (hBN) là một vật liệu cực kỳ khó tổng hợp, đòi hỏi điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Ngay cả sau hơn hai thập kỷ nghiên cứu, rất ít nhóm trên toàn thế giới đã thành thạo trong việc sản xuất vật liệu này với chất lượng cao. Hơn nữa, các đặc tính của nó làm cho nó phù hợp với dải-hồng ngoại trung bình nhưng không phù hợp với dải terahertz.
Mặt khác, chì iodua có hai tiền chất rẻ tiền, xuất hiện tự nhiên: iốt và chì. Nó cũng có thể được kết tinh một cách cực kỳ đơn giản.
Nhà nghiên cứu cho biết: "Chỉ cần hòa tan muối trong nước cho đến khi thu được dung dịch siêu bão hòa và đun nóng đến khoảng 80 độ C, điều này có thể được thực hiện trên bếp gia đình. Trong quá trình làm mát, vật liệu kết tinh, tạo thành các cấu trúc có thể thu thập được".
Khả năng điều khiển ánh sáng ở cấp độ nano mở đường cho các mạch quang tử tích hợp có khả năng thay thế hoặc bổ sung cho các mạch điện tử.
Freitas cho biết: “Hiện nay, thông tin được truyền bên trong các thiết bị thông qua các điện tử. Sử dụng ánh sáng có thể tăng tốc độ đáng kể và giảm tổn thất. Nó tương tự như những gì đã xảy ra trong lĩnh vực viễn thông”.
"Trước đây, chúng tôi sử dụng cáp điện; ngày nay, chúng tôi sử dụng cáp quang, cho phép đạt tốc độ cao hơn nhiều. Nguyên tắc tương tự có thể được áp dụng bên trong chip. Và ngoài tốc độ cao hơn, còn tiết kiệm năng lượng: ánh sáng chịu tổn thất ít hơn nhiều so với dòng điện. Điều đó có thể mang lại các giải pháp hiệu quả và bền vững hơn."
