بلورة صفائحية -ثنائية الأبعاد مكونة من طبقات رقيقة ذريًا من يوديد الرصاص (PbI2) يمكن استخدامها لتصنيع جيل جديد من الدوائر التي تستخدم الاهتزازات الضوئية والميكانيكية (بدلاً من الإلكترونات) لنقل المعلومات في نطاق تردد تيراهيرتز.
وقد قام باحثون في المركز البرازيلي لأبحاث الطاقة والمواد (CNPEM)، بالشراكة مع زملاء من جامعة ليل (فرنسا) ومؤسسات دولية أخرى، بدراسة هذه التكنولوجيا ونشروا نتائجهم في المجلة.اتصالات الطبيعة.
يتوافق نطاق تيراهيرتز مع منطقة منخفضة الطاقة-من الطيف الكهرومغناطيسي تقع بين الأشعة تحت الحمراء وأجهزة الميكروويف. وعلى الرغم من ذلك، فهو يعتبر أمرًا ضروريًا لتطوير تقنيات الاتصال عالية السرعة-.
"اليوم، تعمل شبكات Wi-WiFi و5G بترددات تبلغ بضعة جيجاهيرتز (جيجاهرتز، 109هيرتز). ولكن هناك اهتمام بالتحرك نحو مئات الجيجاهرتز، أو حتى التيراهرتز (1012هيرتز)، لأنه كلما ارتفع التردد، زاد عرض النطاق الترددي وقدرة نقل البيانات،" كما يقول راؤول دي أوليفيرا فريتاس، رئيس خط شعاع إمبويا في مختبر ضوء السنكروترون البرازيلي (LNLS-CNPEM) ومنسق الدراسة.
بحثت الدراسة في كيفية إنتاج -بلورة ذات طبقات عالية الجودة قادرة على العمل كدليل موجي للإشعاع في نطاق التردد هذا باستخدام يوديد الرصاص، وهي مادة غير مكلفة.
يمكن أن تعمل هذه المنصة كرنان، والذي يحصر الضوء ويختار ترددات معينة عن طريق تضخيم أنماط معينة من التذبذب. يمكن أن يعمل أيضًا كمقسم للأشعة، والذي يقسم شعاع الضوء إلى مسارين أو أكثر للسماح بتوزيع الإشارة الضوئية، أو كمعدِّل، والذي يغير خصائص الضوء، مثل الكثافة أو الطور أو التردد، لتشفير المعلومات.
الجانب الأكثر ابتكارًا في هذا العمل هو القدرة على حصر الضوء ضمن أحجام أصغر بكثير من طوله الموجي.
يوضح فريتاس: "في نطاق تيراهيرتز، يمتلك الضوء أطوال موجية تبلغ مئات الميكرومترات. ما نقوم به هو حصر هذا الضوء في مناطق دون الميكرومتر".
وقد أصبح هذا ممكنًا من خلال تكوين بولاريتونات الفونون-، وهي أشباه جسيمات هجينة تجمع بين اهتزازات الذرات في الشبكة البلورية (الفونونات) مع الضوء.
يعلق الباحث قائلاً: "يبدو الأمر كما لو كان الفونون يرتدي الضوء، ويشكل شبه جسيم بخصائص فريدة. تختلف خصائص الانتشار والتفاعل مع المادة لهذه الجسيمات عن الضوء المعزول والفونونات المعزولة".
يتضمن الحبس الشديد للضوء العمل خارج حدود الحيود، مما يحد من دقة الأنظمة البصرية التقليدية.
يقول فريتاس: "في البصريات الكلاسيكية، ليس من الممكن مراقبة أو التعامل مع هياكل أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء. ومع البولاريتونات، تمكنا من التغلب على هذا الحد".
ولتحقيق ذلك، استخدم الباحثون مجهر المسح البصري -من النوع القريب-من المجال البصري (s-SNOM)، وهي تقنية تستخدم أطراف معدنية نانوية الحجم لضغط المجالات الكهرومغناطيسية إلى أقصى حد.
يقول فريتاس: "يعمل الطرف كهوائي ويخلق نقطة ساخنة للمجال الكهربائي بأبعاد تصل إلى عشرات النانومترات، بغض النظر عن الطول الموجي الأصلي. وهذا يسمح بانخفاض كبير في النطاق المكاني للضوء".
"علاوة على ذلك، فإن كثافة المجال الكهربائي في مجسات s-SNOM تصل إلى 105مرات أعلى من الموجات الحرة، وهو ما يفسر تفوق هذه التقنية في أبحاث الضوئيات النانوية. لقد تمكنا من حصر موجة طولها 200 ميكرومتر في حجم أصغر من 50 نانومتر."
ومن النتائج الرئيسية الأخرى للدراسة هو عامل الجودة العالية لبولاريتونات الفونون-في PbI2. عامل الجودة هو مقياس لمدى استمرار التذبذب قبل أن يتبدد.
"كلما طالت فترة تذبذب النظام، زاد عامل الجودة. PbI2يقول فريتاس: "لقد تم إجراءه بشكل مشابه لنيتريد البورون السداسي (hBN)، وهو المادة المرجعية في نطاق الأشعة تحت الحمراء".
بديل بسيط ومستدام
على عكس يوديد الرصاص، فإن نيتريد البورون السداسي (hBN) هو مادة صعبة للغاية لتصنيعها، وتتطلب ظروف ضغط ودرجة حرارة شديدة. وحتى بعد أكثر من عقدين من البحث، لم تتقن سوى مجموعات قليلة في جميع أنحاء العالم إنتاج هذه المادة بجودة عالية. علاوة على ذلك، فإن خصائصه تجعله مناسبًا لنطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط-وليس نطاق تيراهيرتز.
من ناحية أخرى، يحتوي يوديد الرصاص على مادتين غير مكلفتين وطبيعيتين: اليود والرصاص. ويمكن أيضًا بلورته بطريقة بسيطة للغاية.
"ببساطة، قم بإذابة الملح في الماء حتى يتم الحصول على محلول مفرط التشبع ثم قم بتسخينه إلى حوالي 80 درجة مئوية-وهو أمر يمكن القيام به على موقد منزلي. أثناء التبريد، تتبلور المادة، وتشكل هياكل يمكن جمعها"، كما يقول الباحث.
إن القدرة على التعامل مع الضوء على مقياس النانو تمهد الطريق لدوائر ضوئية متكاملة قادرة على استبدال أو استكمال الدوائر الإلكترونية.
يقول فريتاس: "في الوقت الحالي، يتم نقل المعلومات داخل الأجهزة عبر الإلكترونات. ويمكن أن يؤدي استخدام الضوء إلى زيادة السرعة بشكل كبير وتقليل الخسائر. وهذا مشابه لما حدث في مجال الاتصالات".
"من قبل، كنا نستخدم الكابلات الكهربائية؛ أما اليوم، نستخدم الألياف الضوئية، التي تسمح بسرعات أعلى بكثير. ويمكن تطبيق نفس المبدأ داخل الرقائق. وبالإضافة إلى السرعات الأعلى، هناك توفير في الطاقة: فالضوء يعاني من خسائر أقل بكثير من التيارات الكهربائية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى حلول أكثر كفاءة واستدامة."
