Pasiektas šviesos įkalinimo rekordas – atveria kelią optinio skaičiavimo technologijoms

Mokslininkams pavyko „įkalinti“ infraraudonosios šviesos pluoštus specialiai sukonstruotoje atomų gardelėje, kurios storis siekia vos 42 nanometrus. Tai maždaug 2000 kartų ploniau nei žmogaus plaukas ir net plonesnė už itin ploną įprasto popieriaus lapo sluoksnį.

Įspūdingą eksperimentą atliko Varšuvos universiteto komanda Lenkijoje. Tyrėjų teigimu, šis pasiekimas gali turėti reikšmingų pasekmių šviesa paremtai elektronikai, nes technologijų komponentai nuolat mažėja ir reikalauja vis didesnio tikslumo.

Tai taip pat svarbus žingsnis infraraudonosios šviesos tyrimuose. Infraraudonoji šviesa turi ilgesnį bangos ilgį nei matomoji, todėl ją „sutalpinti“ itin mažose erdvėse yra sudėtinga užduotis, verčianti priartėti prie fizikos ribų.

„Pateikti rezultatai yra daug žadantys kuriant plokščius, itin kompaktiškus įrenginius lazerinei spinduliuotei, bangos fronto valdymui ir aukštesnės eilės topologinėms šviesos būsenoms“, – rašo mokslininkai publikuotame straipsnyje.

Eksperimento esmė – medžiaga, iš kurios pagaminta gardelė, sulaikanti šviesą. Ji sudaryta iš sluoksniais išdėstytų molibdeno ir seleno atomų, suformuojančių itin ploną molibdeno diselenido (MoSe₂) struktūrą.

Tokia cheminė sandara maksimaliai padidina medžiagos lūžio rodiklį, t. y. gebėjimą laužti ir lėtinti šviesą – o tai būtina, kad ją būtų galima efektyviai sulaikyti.

Nors MoSe₂ jau seniai žinomas kaip medžiaga, turinti didelį lūžio rodiklį, iki šiol patikimai pagaminti ją itin mažais masteliais buvo sudėtinga.

Naujajame tyrime komanda pasitelkė atomų „spausdinimo“ metodą – molekulinio pluošto epitaksiją (MBE) – ir taip užaugino MoSe₂ sluoksnius. Be to, į šiuos sluoksnius buvo išraižytos mikroskopinės juostos su tarpais, mažesniais už infraraudonosios šviesos bangos ilgį (subbanginės struktūros), kad fotonai būtų „užrakinti“ medžiagoje.

Kad sprendimas veiktų, prireikė dar vieno fizikos reiškinio – vadinamosios „susietos būsenos kontinuume“ (BIC). Tai situacija, kai šviesos bangos lieka uždaros medžiagoje, nors tuo pat metu šalia egzistuoja kitos bangos, galinčios išspinduliuoti energiją į aplinką.

Norint sukurti BIC, medžiagas būtina itin tiksliai suprojektuoti ir sukonfigūruoti. Tyrėjai tai užtikrino kruopščiai sumodeliavę MoSe₂ gardelės struktūrą dar prieš ją pagamindami.

„Pasinaudojome išskirtinai dideliu MoSe₂ lūžio rodikliu, kad novatoriškai suprojektuotume ir pagamintume MoSe₂ pagrindu sukurtas subbangines gardeles, kuriose susidaro BIC“, – teigia autoriai.

Toks sudėtingas fizikinis sprendimas gali turėti ir praktinių pritaikymų. Mokslininkai vis aktyviau tyrinėja optinio skaičiavimo idėją, kai elektronus ir elektrą keičia šviesos fotonai. Tai teoriškai leistų smarkiai padidinti apdorojimo greitį, kartu mažinant komponentų dydį.

Nors iki realiai pritaikomo optinio skaičiavimo dar lieka daug kliūčių, tokios demonstracijos rodo, kad šviesą gali būti įmanoma sulaikyti ir valdyti reikiamu tikslumu – ir pačiu mažiausiu masteliu.

Kalbant apie konkrečią medžiagą ir šviesos „spąstus“, dar reikės papildomų darbų, kad sprendimą būtų galima patikimai taikyti didesniu mastu. Komandos sukurtas sluoksnių auginimo procesas nebuvo idealus, todėl medžiaga buvo papildomai poliruojama šilko servetėlėmis, siekiant pašalinti nelygumus.

Vis dėlto tyrėjai tiki, kad jų metodą galima toliau tobulinti ir pritaikyti kitose srityse.

MoSe₂ priklauso platesnei itin plonų medžiagų grupei, vadinamai pereinamųjų metalų dichalkogenidais (TMD). Mokslininkai tikisi rasti naujų būdų, kaip TMD medžiagas gaminti ir apdoroti patikimiau.

Jei tai pavyks, ateityje tai gali atverti kelią dar mažesniems ir greitesniems įrenginiams, kurių veikimo principas iš dalies remtųsi šviesos sulaikymu neįtikėtinai mažose erdvėse.

„MoSe₂ apdorojimo paprastumas ir lengvumas patvirtina, kad įmanomi ir kiti fotoninių struktūrų sprendimai, pavyzdžiui, 2D metapaviršiai, paremti TMD sluoksniais“, – rašo tyrėjai.