ヨウ化鉛（PbI）の原子的に薄い層で構成される二次元層状結晶。-2）を使用して、（電子ではなく）光と機械振動を使用してテラヘルツ周波数範囲で情報を送信する新世代の回路を製造することができます。
ブラジルエネルギー・材料研究センター (CNPEM) の研究者は、リール大学 (フランス) やその他の国際機関の同僚と協力して、この技術を研究し、その結果を次の論文で発表しました。ネイチャーコミュニケーションズ.
テラヘルツ帯域は、赤外線とマイクロ波の間に位置する電磁スペクトルの低エネルギー領域に対応します。{0}それにもかかわらず、高速通信技術の開発には不可欠であると考えられています。-
「現在、Wi-Fi と 5G は数ギガヘルツ (GHz、109ヘルツ）。しかし、数百ギガヘルツ、さらにはテラヘルツ（1012ヘルツ）、周波数が高いほど帯域幅とデータ伝送容量が大きくなるからです」とブラジルシンクロトロン光研究所（LNLS-CNPEM）のインブイアビームライン責任者であり、研究コーディネーターであるラウル・デ・オリベイラ・フレイタス氏は述べています。
この研究では、安価な材料であるヨウ化鉛を使用して、この周波数範囲で放射線の導波管として機能できる高品質の層状結晶を製造する方法を調査しました。{0}
このプラットフォームは、光を閉じ込め、特定の振動モードを増幅することで特定の周波数を選択する共振器として機能する可能性があります。また、光ビームを 2 つ以上の経路に分割して光信号を分配できるようにするビーム スプリッターとして機能したり、情報をエンコードするために強度、位相、周波数などの光の特性を変更する変調器として機能したりすることもできます。
この研究の最も革新的な点は、光をその波長よりもはるかに小さい体積内に閉じ込めることができることです。
「テラヘルツ範囲では、光の波長は数百マイクロメートルです。私たちがやっているのは、この光をサブマイクロメートルの領域内に閉じ込めることです」とフレイタス氏は説明する。
これは、結晶格子内の原子の振動（フォノン）と光を組み合わせたハイブリッド準粒子であるフォノン-ポラリトンの形成によって可能になります。
「あたかもフォノンが光をまとっており、独特の性質を持つ準粒子を形成しているようだ。これらの準粒子の伝播特性や物質との相互作用は、孤立した光や孤立したフォノンとは異なる」と研究者はコメントしている。
光を極端に閉じ込めると、回折限界を超えて動作することになり、従来の光学システムの解像度が制限されます。
「古典的な光学では、光の波長よりもはるかに小さい構造を観察したり操作したりすることは不可能です。ポラリトンを使用することで、その限界を克服することができました」とフレイタス氏は言います。
これを達成するために、研究者らは散乱型近接場光学走査型顕微鏡（s-SNOM）を使用しました。この技術は、ナノスケールの金属チップを使用して電磁場を極度に圧縮します。
「先端はアンテナとして機能し、元の波長に関係なく、数十ナノメートルオーダーの寸法の電界ホットスポットを生成します。これにより、光の空間スケールを大幅に縮小することができます」とフレイタス氏は言う。
「さらに、-SNOM プローブ内の電場密度は最大 105これは、ナノフォトニクス研究におけるこの技術の優位性を説明しています。 200マイクロメートルの波を50ナノメートル未満の体積に閉じ込めることができました。」
この研究のもう 1 つの重要な発見は、PbI におけるフォノン-ポラリトンの高い品質係数でした。2。品質係数は、振動が消散するまでにどれだけの時間持続するかを示す尺度です。
「システムの発振時間が長ければ長いほど、品質係数は高くなります。PbI2赤外領域における基準物質である六方晶窒化ホウ素 (hBN) と同等の性能を発揮します」と Freitas 氏は言います。
シンプルで持続可能な代替品
ヨウ化鉛とは異なり、六方晶窒化ホウ素 (hBN) は合成が非常に困難な材料であり、極度の圧力と温度条件が必要です。 20年以上の研究にもかかわらず、この素材を高品質で製造することに成功したグループは世界中でほとんどありません。さらに、その特性により、中赤外線範囲には適していますが、テラヘルツ範囲には適していません。-
一方、ヨウ化鉛には、ヨウ素と鉛という 2 つの安価な天然前駆体が含まれています。非常に簡単な方法で結晶化することもできます。
「過飽和溶液が得られるまで塩を水に溶かし、約 80 度に加熱するだけです。-これは家庭用ストーブで行うことができます。冷却中に材料が結晶化し、収集できる構造が形成されます。」と研究者は言います。
ナノスケールで光を操作できることにより、電子回路を置き換えたり補完したりできる集積フォトニック回路への道が開かれます。
「現在、情報は電子を介してデバイス内に送信されます。光を使用すると、速度が大幅に向上し、損失が削減されます。これは電気通信の分野で起こったことに似ています」とフレイタス氏は言います。
「以前は電気ケーブルを使用していましたが、現在は光ファイバーを使用しているため、はるかに高速な通信が可能です。同じ原理がチップ内に適用できます。また、高速化に加えて、エネルギーの節約にもつながります。光の方が電流よりも損失がはるかに少ないため、より効率的で持続可能なソリューションが得られます。」
