O nouă metodă de control al luminii ar putea duce la dispozitive wireless și cuantice mai rapide
Oamenii de știință au descoperit o nouă metodă de a controla unde luminoase speciale în materiale bidimensionale, o descoperire care ar putea duce la dezvoltarea unor sisteme de comunicații mai rapide și a unor tehnologii cuantice inovatoare. Lucrarea se concentrează pe polaritonii plasmonici Dirac, unde care combină mișcarea luminii și a electronilor, și ar putea facilita utilizarea luminii la scări foarte mici.
Polaritonii plasmonici Dirac, sau DPP, sunt diferiți de undele luminoase obișnuite. Ei pot comprima lumina în spații de sute de ori mai mici decât lungimea sa de undă naturală, o performanță pe care optica convențională nu o poate realiza. Această capacitate îi face valoroși pentru construirea de dispozitive cu componente la fel de mici ca cele din circuitele electronice.
Ceea ce diferențiază DPP-urile este modul în care se comportă în materialele Dirac, cum ar fi grafenul și izolatorii topologici, unde electronii par să nu aibă masă. Datorită acestei proprietăți, DPP-urile pot fi reglate și făcute foarte receptive la schimbările din mediul lor – o caracteristică cheie pentru tehnologiile optoelectronice de generație următoare.
DPP-urile sunt deosebit de promițătoare în gama de frecvențe terahertz, care se află între microunde și infraroșu pe spectrul electromagnetic. Această regiune, denumită uneori „decalajul THz”, are aplicații potențiale în imagistica medicală, transferul de date wireless și scanarea de securitate. Cu toate acestea, controlul luminii THz a rămas o provocare, limitându-i aplicațiile până în prezent.
Într-un studiu publicat în Light: Science & Applications, cercetătorii conduși de Miriam Serena Vitiello au raportat o tehnică de control al DPP-urilor în gama terahertz. Echipa a folosit un material cunoscut sub numele de seleniură de bismut epitaxială (Bi₂Se₃), care aparține unei clase de compuși numiți izolatori topologici. Aceste materiale conduc electricitatea doar pe suprafețele lor, în timp ce interioarele lor rămân izolatoare.
Cercetătorii au construit metamateriale – structuri proiectate cu proprietăți optice speciale – din Bi₂Se₃, aranjând benzi minuscule de material în rânduri, cu mici spații între ele. Prin ajustarea acestor spații, au reușit să regleze mișcarea polaritonilor prin sistem.
Folosind microscopia de câmp apropiat, echipa a lansat și a imagiat DPP-uri care se deplasau de-a lungul acestor structuri. Experimentele lor au demonstrat că, prin ajustarea distanței dintre benzi, au putut reduce lungimea de undă a DPP-urilor cu până la 20 la sută. De asemenea, au putut extinde distanța parcursă de unde înainte de a pierde energie cu mai mult de 50 la sută.
Aceste rezultate abordează direct două dintre principalele provocări ale lucrului cu DPP-uri la frecvențe terahertz: impulsul lor ridicat, care îi face greu de excitat, și lungimile lor scurte de atenuare, care le limitează raza de acțiune. Depășind aceste limitări, cercetătorii au demonstrat o modalitate de a face DPP-urile mai practice pentru aplicații reale.
Descoperirile ar putea deschide posibilități pentru noi tehnologii terahertz, inclusiv detectoare, modulatoare și ghiduri de undă mai mici și mai eficiente decât alternativele existente. De asemenea, ar putea pune bazele pentru circuite fotonice reconfigurabile, celule solare de înaltă eficiență și progrese în calculul cuantic și optica neliniară.
