از گرافن تا سلنید بیسموت؛ مسیر تازه برای مدارهای فوتونیک آینده

دانشمندان موفق به کشف روشی تازه برای کنترل امواج نوری ویژه در مواد دوبعدی شده‌اند؛ دستاوردی که می‌تواند به توسعه سامانه‌های ارتباطی سریع‌تر و فناوری‌های نوین کوانتومی منجر شود.

به گزارش بیکینگ و به نقل از تک‌اسپات، محور اصلی این پژوهش، امواجی موسوم به «پلاسمون–پولاریتون‌های دیراک» (DPPها) است که ترکیبی از حرکت نور و الکترون‌ها را در بر می‌گیرند و قادرند نور را در ابعادی بسیار کوچک‌تر از طول‌موج طبیعی آن متمرکز کنند. این ویژگی در اپتیک سنتی دست‌یافتنی نیست و همین موضوع ارزش بالایی برای ساخت دستگاه‌های نانومقیاس ایجاد می‌کند.

ویژگی منحصربه‌فرد DPPها در مواد دیراک، مانند گرافن و عایق‌های توپولوژیک، آشکار می‌شود؛ جایی که الکترون‌ها ظاهراً بدون جرم رفتار می‌کنند. همین خاصیت باعث می‌شود این امواج به‌سادگی تنظیم‌پذیر و حساس به محیط باشند و این امر راه را برای نسل تازه‌ای از فناوری‌های اپتوالکترونیک هموار می‌کند.

بیشترین اهمیت DPPها در محدوده فرکانس تراهرتز (THz) است؛ بخشی از طیف الکترومغناطیس میان امواج مایکروویو و مادون قرمز که به «شکاف تراهرتز» مشهور است. این ناحیه پتانسیل کاربردهای گسترده‌ای در تصویربرداری پزشکی، انتقال بی‌سیم داده و سامانه‌های امنیتی دارد. با این حال، دشواری در کنترل نور تراهرتز تاکنون مانع بهره‌برداری گسترده از آن شده است.

 

در مطالعه‌ای که در نشریه Light: Science & Applications منتشر شد، گروهی به سرپرستی «مریام سرنا ویتیلو» روشی برای کنترل DPPها در محدوده تراهرتز ارائه کردند. آنان از ماده‌ای به نام «سلنید بیسموت اپی‌تاکسیال» (Bi₂Se₃) استفاده کردند که در دسته عایق‌های توپولوژیک قرار دارد. این مواد تنها روی سطح خود رسانا هستند و درونشان عایق باقی می‌ماند.

محققان با ساخت متامتریال‌هایی از ردیف نوارهای باریک Bi₂Se₃ و ایجاد فاصله‌های دقیق میان آن‌ها، توانستند حرکت پولاریتون‌ها را کنترل کنند. با تغییر این فاصله‌ها، طول‌موج DPPها تا 20 درصد کاهش یافت و همچنین طول مسیر انتشار آن‌ها پیش از افت انرژی بیش از 50 درصد افزایش یافت.

این پیشرفت دو مانع اصلی در استفاده از DPPها در فرکانس تراهرتز (دشواری در تحریک به‌دلیل تکانه بالا و طول تضعیف کوتاه) را برطرف می‌کند. نتایج این پژوهش می‌تواند زمینه‌ساز توسعه فناوری‌های تازه در حوزه تراهرتز شود؛ از جمله آشکارسازها، مدولاتورها و موج‌برهایی که کوچک‌تر و کارآمدتر از نمونه‌های کنونی هستند. همچنین، این یافته‌ها می‌تواند بنیان طراحی مدارهای فوتونیک بازپیکربندی‌پذیر، سلول‌های خورشیدی بسیار کارآمد و پیشرفت‌هایی در رایانش کوانتومی و اپتیک غیرخطی را فراهم کند.