To spektakularne osiągnięcie, opisane na łamach prestiżowego czasopisma ACS Nano, otwiera drzwi do stworzenia nowej generacji komponentów technologicznych. W miarę jak tradycyjna elektronika oparta na krzemie zbliża się do swoich fizycznych granic, inżynierowie coraz częściej spoglądają w stronę fotoniki. Celem jest budowa komputerów optycznych, w których zamiast powolnych i nagrzewających się elektronów, informacje przenosiłyby fotony światła. Taka zmiana pozwoliłaby na drastyczne zwiększenie prędkości przetwarzania danych przy jednoczesnym radykalnym zmniejszeniu rozmiarów urządzeń i ich zapotrzebowania na energię.
Kluczowym wyzwaniem w tym procesie jest jednak okiełznanie światła podczerwonego. Podczerwień posiada fale o długościach znacznie większych niż światło widzialne, co sprawia, że próba uwięzienia ich w tak mikroskopijnych przestrzeniach jest zadaniem ekstremalnie trudnym, wręcz rzucającym wyzwanie fundamentalnym prawom fizyki klasycznej. Polskim fizykom udało się jednak udowodnić, że przy odpowiednim podejściu do inżynierii materiałowej, bariery te można pokonać.
Czytaj także: Ten chip tworzy nowe kolory światła. Na Harvardzie opracowali technologię z mnóstwem realnych zastosowań
Tajemnica tkwi w „magicznym” materiale
Fundamentem sukcesu warszawskich badaczy jest wybór odpowiedniego materiału do budowy nanostruktury. Wykorzystano dwuselenek molibdenu (MoSe2), który należy do fascynującej grupy materiałów zwanych dichalkogenkami metali przejściowych (TMD). Materiały te, składające się z warstw o grubości pojedynczych atomów, posiadają unikalne właściwości optyczne i elektryczne.
Głównym powodem wyboru MoSe2 jest jego wyjątkowo wysoki współczynnik załamania światła. Właściwość ta określa, jak bardzo materiał jest w stanie spowolnić i „zgiąć” światło, co jest kluczowe dla jego efektywnego uwięzienia. Choć potencjał dwuselenku molibdenu był znany od dawna, problemem pozostawała jego obróbka w skali nanometrycznej. Polscy naukowcy poradzili sobie z tym wyzwaniem, stosując zaawansowaną metodę „atomowego druku” znaną jako epitaksja z wiązek molekularnych (MBE). Pozwoliła ona na hodowanie idealnie czystych arkuszy materiału, w których następnie wycięto mikroskopijne paski o rozmiarach subfalowych – mniejszych niż długość fali uwięzionego światła.
Wykorzystanie zjawiska BIC – fizyczna sztuczka najwyższej klasy
Samo stworzenie cienkiej warstwy to jednak za mało, by zatrzymać światło. Naukowcy musieli wykorzystać subtelne zjawisko fizyczne zwane stanem związanym w kontinuum (BIC – Bound state in the continuum). Jest to specyficzny stan, w którym fale światła zostają zamknięte wewnątrz materiału, mimo że teoretycznie współistnieją z innymi falami, które swobodnie promieniują na zewnątrz. Można to porównać do dźwięku, który zostaje uwięziony wewnątrz instrumentu, zamiast uciekać do otoczenia.
Czytaj także: Światło zachowuje się dziwniej niż myśleliśmy. Naukowcy potwierdzili istnienie czasu urojonego
Aby wywołać zjawisko BIC, struktura siatki MoSe2 musiała zostać precyzyjnie zaprojektowana i wymodelowana matematycznie jeszcze przed etapem produkcji. Każda przerwa między paskami materiału i każda warstwa atomów musiały znaleźć się dokładnie tam, gdzie przewidziały to symulacje komputerowe.
Od laboratorium do masowej produkcji
Choć wyniki są obiecujące, droga do powszechnego zastosowania tej technologii w smartfonach czy laptopach jest jeszcze daleka. Proces wytwarzania arkuszy MoSe2 nie jest jeszcze idealny – w trakcie badań zespół musiał stosować niemal jubilerską precyzję, używając m.in. jedwabnych chusteczek do ręcznego polerowania powierzchni materiału w celu usunięcia niedoskonałości. Pokazuje to, jak wielkiego kunsztu wymaga praca na pograniczu fizyki teoretycznej i inżynierii materiałowej.
Mimo tych trudności, polscy badacze są optymistami. Udowodnili oni, że tworzenie płaskich, ultrakompaktowych urządzeń do sterowania czołem fali świetlnej czy generowania wiązek laserowych w nanoskali jest możliwe.
