از گرافن تا سلنید بیسموت؛ راهی نوین برای فناوری مدارهای فوتونیک آینده

تحقیقات تازه‌ای از سوی دانشمندان در زمینه کنترل امواج نوری ویژه در مواد دوبعدی به ثمر نشسته است؛ که می‌تواند سرآغازی بر پیشرفت‌های شگرف در حوزه سیستم‌های ارتباطی با سرعت بالا و فناوری‌های نوین کوانتومی باشد.

طبق گزارش ایتنا و به نقل از تک‌اسپات، تمرکز اصلی این مطالعه بر روی امواجی تحت عنوان «پلاسمون–پولاریتون‌های دیراک» (DPPها) قرار دارد. این امواج ترکیبی از حرکت نور و الکترون‌ها را ارائه می‌دهند و توانایی متمرکز کردن نور را در ابعادی به مراتب کوچکتر از طول‌موج طبیعی‌شان دارند. این خصیصه در اپتیک سنتی دست‌یافتنی نیست و به همین دلیل قابلیت ایجاد دستگاه‌های نانومقیاس را به ارمغان می‌آورد.

ویژگی‌های خاص DPPها در مواد دیراک مانند گرافن و عایق‌های توپولوژیک خود را به وضوح نشان می‌دهند؛ جایی که الکترون‌ها به‌طور ظاهری بدون جرم عمل می‌کنند. ویژگی ذکرشده این امکان را می‌دهد که این امواج به راحتی قابل تنظیم و نسبت به تغییرات محیطی حساس باشند و به این ترتیب، افق جدیدی برای توسعه فناوری‌های اپتوالکترونیک فراهم می‌آورند.

مهم‌ترین ویژگی DPPها در دامنه فرکانس تراهرتز (THz) قابل مشاهده است؛ ناحیه‌ای از طیف الکترومغناطیسی که بین امواج مایکروویو و مادون قرمز قرار دارد و به عنوان «شکاف تراهرتز» شناخته می‌شود. این ناحیه دریچه‌ای به سمت کاربردهای وسیع در زمینه تصویربرداری پزشکی، انتقال داده به‌صورت بی‌سیم و سیستم‌های امنیتی به حساب می‌آید. با این حال، کنترل دشوار نور تراهرتز تا کنون مانع از بهره‌برداری گسترده از این تکنولوژی گردیده است.

 

در تحقیقی که در نشریه Light: Science & Applications منتشر شد، تیمی به رهبری «مریام سرنا ویتیلو» شیوه‌ای جدید برای کنترل DPPها در فرکانس تراهرتز معرفی کردند. آن‌ها از ماده‌ای به نام «سلنید بیسموت اپی‌تاکسیال» (Bi₂Se₃) که در گروه عایق‌های توپولوژیک قرار دارد، بهره جستند. این مواد به‌طور خاص تنها در سطح خود قابلیت هدایت الکتریکی دارند و درونشان به صورت عایق باقی می‌ماند.

تحقیقاتی که انجام شد شامل ایجاد متامتریال‌هایی با استفاده از ردیفی از نوارهای باریک Bi₂Se₃ و ایجاد فاصله‌های دقیقی میان آن‌ها بود که امکان کنترل حرکت پولاریتون‌ها را فراهم آورد. با تغییر در این فواصل، طول‌موج DPPها تا 20 درصد کاهش یافت و همچنین طول مسیر انتشار آن‌ها پیش از اینکه انرژی آن‌ها کاهش یابد، بیشتر از 50 درصد افزایش پیدا کرد.

این دستاورد می‌تواند به سمت دو چالش عمده در استفاده از DPPها در فرکانس تراهرتز بپردازد (چالش تحریک به‌دلیل تکانه بالا و طول تضعیف کوتاه). نتایج به‌دست‌آمده می‌تواند به شکل‌گیری فناوری‌های نوین در حوزه تراهرتز کمک کند، از جمله ساخت‌وساز اشکال جدیدی از آشکارسازها، مدولاتورها و موج‌برها که کوچکتر و بهینه‌تر از نمونه‌های فعلی خواهند بود. علاوه بر این، این یافته‌ها پایه‌گذار طراحی مدارهای فوتونیک قابل تغییر، سلول‌های خورشیدی با کارآیی بالا و پیشرفت در زمینه رایانش کوانتومی و اپتیک غیرخطی خواهند بود.