A Varsói Egyetem Fizikai Karának kutatói több lengyel intézménnyel együttműködésben olyan nanoszerkezetet hoztak létre, ami mindössze 40 nanométer vastag rétegben képes csapdába ejteni az infravörös fényt, ami több mint ezerszer vékonyabb az emberi hajszálnál. Az eredményeket az ACS Nano tudományos folyóirat közölte, és a fejlesztés új irányt nyithat a fotonikai eszközök miniaturizálásában.

A modern technológia fejlődése egyre inkább megköveteli a fény rendkívül kis méretskálán történő irányítását, mivel a hagyományos elektronikai megoldások fizikai korlátaikhoz közelednek, ugyanakkor a fotonika a fényt használja információhordozóként az elektronok helyett.

Tömeg nélküli részecskék

Mivel a fotonok tömeg nélküli részecskék, amik gyorsabban haladnak, mint az elektronok, a fényalapú eszközök egyszerre válhatnak gyorsabbá és kisebbé, ami kompaktabb és nagyobb teljesítményű technológiák előtt nyithat utat – írja a ScienceDaily.

A fény hullámtermészete azonban alapvető korlátot jelent, hiszen minden fénytípushoz tartozik egy hullámhossz, amely meghatározza, milyen kisméretű szerkezet képes hatékonyan irányítani azt. A látható fény hullámhossza néhány száz nanométer, az infravörös sugárzásé pedig akár egy mikrométer is lehet, ezért sokáig kérdéses volt, hogy a fény bezárható-e saját hullámhosszánál kisebb struktúrákba.

A kutatócsoport ezt a korlátot úgy lépte át, hogy egy úgynevezett szubhullámhosszúságú rácsszerkezetet tervezett, amely molibdén-diszelenidből készült, és sűrűn elhelyezett, párhuzamos csíkokból áll. Ezek a csíkok a prizmához hasonló módon lépnek kölcsönhatásba a fénnyel, és ha egymáshoz közelebb helyezkednek el, mint a fény hullámhossza, a szerkezet szinte tökéletes tükörként viselkedik, miközben rendkívül kis térfogatban tartja a sugárzást.

Az áttörés kulcsa

Korábban hasonló rácsokat szilíciumból vagy galliumtartalmú vegyületekből készítettek, ám ezek több száz nanométeres vastagságot igényeltek, és méretcsökkentés esetén elvesztették fénycsapdázó képességüket. A mostani áttörés kulcsa a molibdén-diszelenid kiemelkedően magas törésmutatója, amely miatt a fény ebben az anyagban jóval erősebben lelassul, mint az üvegben vagy a szilíciumban, így a szerkezet drasztikusan vékonyabb lehet anélkül, hogy hatékonysága csökkenne.

Több mint 1500-szor hatékonyabb

Az anyag további előnye, hogy félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, és nemlineáris optikai jelenségeket is mutat, köztük a harmadikharmonikus-keltést, amely során három infravörös foton egyetlen nagyobb frekvenciájú, látható kék fotonná egyesül. Mivel a rácsszerkezet rendkívül erősen koncentrálja az infravörös fényt, ez az átalakítás több mint 1500-szor hatékonyabbnak bizonyult, mint egy azonos anyagból készült sík réteg esetében.

Jelentős előrelépést hozott az is, hogy a kutatók molekulasugaras epitaxia módszerével állították elő a molibdén-diszelenid rétegeket, amely iparilag is bevett technológia félvezetők növesztésére, és egyenletes, több négyzethüvelyk kiterjedésű filmek létrehozását teszi lehetővé.

A vastagság és a kiterjedés aránya

Ennek ellenére a réteg vastagsága mindössze 40 nanométer maradt, ami extrém méretarányt eredményez, hiszen a vastagság és a kiterjedés aránya megközelíti az egymillióhoz egyet.

Az eredmények arra utalnak, hogy az ilyen módon előállított molibdén-diszelenid alapjaiban változtathatja meg a fény nanoszintű irányítását, mivel a jövőben nem lesz szükség vastag struktúrákra a hatékony fénykezeléshez, ugyanakkor a skálázható gyártási eljárás révén a fotonikai integrált áramkörök gyakorlati alkalmazása is egyre reálisabbá válik.