Nowe urządzenie półprzewodnikowe wykorzystujące dwuselenek wolframu wykazuje niespotykane dotąd możliwości zmiany właściwości światła w celu wydajniejszego przetwarzania informacji.
Technologia ta obiecuje usprawnić telekomunikację poprzez przetwarzanie sygnałów bezpośrednio w światłowodach bez przekształcania ich na sygnały elektryczne, przyspieszając w ten sposób transmisję danych i zmniejszając zużycie energii.
Ekscytony w technologii półprzewodników
Kiedy światło pada na półprzewodnik, wzbudza elektrony do wyższych stanów energetycznych. Pozostawia to brak elektronu, co jest równoznaczne z dodatnio naładowaną przestrzenią zwaną „dziurą”. Elektron i dziura przyciągają się wzajemnie pod wpływem siły elektrostatycznej i tworzą związaną parę zwaną ekscytonem.
Ekscytony mogą następnie oddziaływać z innymi niesparowanymi ładunkami. Ta interakcja zmienia typowy sposób, w jaki wiązka światła rozchodząca się w materiale przesuwa jego dodatnie i ujemne ładunki. Ta odpowiedź nazywana jest nieliniową i może spowodować zmianę kształtu, kierunku i/lub częstotliwości wiązki. Zmiana ta pozwala na optyczne przetwarzanie informacji.
Naukowcy wykazali obecnie, że nieliniowa odpowiedź optyczna jest niezwykle silna w dwuwymiarowym urządzeniu wykonanym z trzech warstw atomowych półprzewodnikowego diselenki wolframu (WSe2). Naukowcy wykazali również, że gigantyczną reakcję nieliniową można dostroić.
Rewolucjonizuje telekomunikację dzięki przetwarzaniu optycznemu
Obecnie światłowody zarządzają całą długodystansową komunikacją internetową. Jednakże w dowolnym momencie, w którym sygnał danych zmienia włókna, aby dotrzeć do miejsca przeznaczenia, sygnał jest przekształcany ze światła na energię elektryczną. Odbywa się to w celu przetworzenia i skierowania sygnału. Przetwarzanie elektryczne zużywa dodatkową moc, która generuje ciepło i wprowadza opóźnienia.
W tym badaniu przedstawiono przełomowy alternatywny system, w którym tylko niewielka liczba fotonów światła może przetwarzać informacje. Mogłoby to poprawić szybkość i efektywność energetyczną platform telekomunikacyjnych i komputerowych. Ponadto wysoce wydajne i przestrajalne fotony można wykorzystać do bezpiecznej komunikacji kwantowej, która zapewnia silną ochronę przed cyberatakami.
Rola optyki nieliniowej w transmisji danych
Optyczną transmisję informacji można osiągnąć jedynie w materiałach, które wykazują właściwość zwaną nieliniową reakcją optyczną. Dzieje się tak, ponieważ optyka nieliniowa umożliwia przetwarzanie informacji niesionych przez wiązkę światła poprzez zmianę kształtu, kierunku i częstotliwości wiązki. Materiały dwuwymiarowe takie jak WSe2 zwróciły na siebie uwagę, ponieważ ich zmniejszona wymiarowość powoduje silne oddziaływania elektrostatyczne, w wyniku których powstają ściśle związane ekscytony. Ponieważ ekscytony są tak silnie połączone, są stabilne w temperaturze pokojowej i umożliwiają pracę urządzeń, które nie wymagają chłodzenia.
Przełomy w badaniach materiałów dwuwymiarowych
W swoich badaniach naukowcy wykorzystali zachowanie ekscytonów w urządzeniu wykonanym z trzech atomowo cienkich warstw WSe2. Wykazali gigantyczną nieliniową odpowiedź optyczną o niespotykanej dotąd wydajności, wykorzystując jedynie dziesiątki do setek fotonów. Zespół odkrył, że nieliniowość optyczną można zaobserwować tylko wówczas, gdy materiał jest domieszkowany elektrostatycznie swobodnymi ładunkami poprzez zastosowanie polaryzacji napięcia. Co więcej, reakcję można łatwo dostroić poprzez zmianę napięcia. Do zbudowania urządzenia naukowcy wykorzystali prasę do materiałów kwantowych (QNaciśnij) przy Centrum Nanomateriałów Funkcjonalnychobiekt użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii w Brookhaven National Laboratory. QPress to zautomatyzowany system, który umożliwia precyzyjne układanie materiałów kwantowych 2D tak cienkich jak pojedynczy atom.
Więcej informacji na temat tego przełomu można znaleźć w artykule Przełom w technologii Photon: szybka, bezpieczna i zrównoważona telekomunikacja na przyszłość.
Odniesienie: „Ogromna nieliniowość optyczna polaronów Fermiego w cienkich atomach półprzewodniki” Liuxin Gu, Lifu Zhang, Ruihao Ni, Ming Xie, Dominik S. Wild, Suji Park, Houk Jang, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Mohammad Hafezi i You Zhou, 14 maja 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01434-x
Badania te były wspierane głównie przez Biuro Naukowe Departamentu Energii (DOE) oraz Program badań na rzecz wczesnej kariery Biura Podstawowych Nauk o Energii. Wytworzenie próbki zostało wsparte nagrodą CAREER przyznaną przez National Science Foundation. Do badań wykorzystano prasę Quantum Material Press (QPress) z Centrum Funkcjonalnych Nanomateriałów, ośrodka użytkownika Departamentu Nauki w Brookhaven National Laboratory. Dodatkowe wsparcie zapewniły JSPS KAKENHI i World Premier International Research Centre Initiative, MEXT, Japonia na rzecz syntezy hBN.
