Новое исследование успешно продемонстрировало ограничение терагерцевого (ТГц) света на наноуровне с использованием нового типа слоистого материала. Это может привести к улучшению оптоэлектронных устройств, таких как инфракрасные излучатели, используемые в пультах дистанционного управления и приборах ночного видения, а также в терагерцовой оптике, востребованной для обеспечения физической безопасности и экологического мониторинга.
Статья «Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides» опубликована в журнале Nature Materials. Исследование проводилось под руководством Джоша Колдуэлла, профессора машиностроения и директора Междисциплинарной программы послевузовского образования в области материаловедения в Вандербильтском университете, и Алекса Паарманна из Института Фрица Габера в сотрудничестве с профессором Лукасом М. Энг из Технического университета Дрездена (TUD), Германия.
Технология ТГц обещает высокоскоростную обработку данных, однако интеграция её в компактные устройства была сложной задачей из-за большой длины волны. Традиционные материалы не могли эффективно ограничивать ТГц свет, что ограничивало потенциал миниатюризации.
Для решения этой проблемы исследовательская группа использовала дихалькогениды гафния — тип слоистого материала, состоящего из гафния и халькогенных элементов, таких как сера или селен. Используя фононные поляритоны (тип квазичастиц, возникающих в результате взаимодействия фотонов с колебаниями решётки в кристалле), они достигли экстремального ограничения ТГц света, сжав длину волны ТГц более чем на 50 микрон до размеров менее 250 нанометров. Это было достигнуто с минимальными потерями энергии, что открывает путь для создания более энергоэффективных ТГц устройств.
Артём Мищенко, один из участников проекта, провёл аналогию, сравнив сжатие световых волн более чем в 200 раз с помещением океанских волн в чашку.
Исследовательская группа сосредоточилась на изучении взаимодействия света и материи на нано- и атомном уровне, их влияния на нелинейную оптику и различий с объёмными материалами. Это включает в себя субдифракционное ограничение света с помощью поляритонов в оптическом спектральном диапазоне (в основном в инфракрасном), проектирование наноразмерных оптических компонентов и идентификацию и характеристику новых оптических, электрооптических и электронных материалов.
«Это началось как летний исследовательский проект для старшеклассника, но быстро перерос в захватывающее наблюдение беспрецедентного уровня оптического ограничения», — сказал Колдуэлл.
Исследование стало результатом долгосрочного сотрудничества между берлинским Институтом Фрица Габера, Вандербильтским университетом и Техническим университетом Дрездена. Для работы использовалась станция оптической микроскопии ближнего поля, установленная группой Энга в центре пользовательской лаборатории лазера на свободных электронах FELBE в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Германия. Эта станция разрабатывалась и поддерживалась в течение последних 15 лет в тесном сотрудничестве между TU Dresden и HZDR.
«Исследование сверхвысокого сжатия ТГц света с помощью фононных поляритонов, например, в дихалькогенидах гафния, требует экстремальных возможностей наномасштабной визуализации нашего ближнепольного микроскопа на лазере на свободных электронах», — сказал Лукас Энг из TU Dresden.
Результаты могут привести к разработке ультракомпактных ТГц резонаторов и волноводов, необходимых для применения в экологическом мониторинге и визуализации в целях безопасности. Интеграция этих материалов в гетероструктуры ван дер Ваальса (структуры, созданные путём наложения слоёв двумерных материалов со слабым вертикальным взаимодействием) может ещё больше расширить возможности исследований двумерных материалов, предлагая новые возможности для наномасштабной оптоэлектронной интеграции.
Исследователи заявили, что исследование не только выдвигает дихалькогениды гафния в качестве многообещающей платформы для ТГц-приложений, но и закладывает основу для изучения новой физики через сверхсильное или даже глубокосильное взаимодействие света и материи. Полученные данные указывают на будущее, в котором высокоскоростной скрининг материалов может выявить ещё более эффективные материалы для ТГц-технологий, стимулируя инновации в этой важной области.
«Наша работа с дихалькогенидами гафния показывает, как мы можем расширить границы ТГц-технологий, потенциально изменяя подход к оптоэлектронной интеграции», — сказал Паарманн.
Предоставлено Вандербильтским университетом.