원자적으로 얇은 요오드화납(PbI) 층으로 구성된 2차원{0}}층판 결정2)는 전자가 아닌 빛과 기계적 진동을 사용하여 테라헤르츠 주파수 범위의 정보를 전송하는 차세대 회로를 제조하는 데 사용될 수 있습니다.
브라질 에너지 및 재료 연구 센터(CNPEM)의 연구원들은 프랑스 릴 대학 및 기타 국제 기관의 동료들과 협력하여 이 기술을 연구하고 결과를 다음과 같이 발표했습니다.네이처커뮤니케이션즈.
테라헤르츠 대역은 적외선과 마이크로파 사이에 위치한 전자기 스펙트럼의 낮은{0}}에너지 영역에 해당합니다. 그럼에도 불구하고 이는 고속-통신 기술을 개발하는 데 매우 중요한 것으로 간주됩니다.
"현재 Wi{0}}Fi와 5G는 수 기가헤르츠(GHz, 109헤르츠). 그러나 수백 기가헤르츠, 심지어는 테라헤르츠(10)로 나아가는 데 관심이 있습니다.12헤르츠), 주파수가 높을수록 대역폭과 데이터 전송 용량이 커지기 때문입니다."라고 브라질 싱크로트론 광 연구소(LNLS-CNPEM)의 Imbuia 빔라인 책임자이자 연구 코디네이터인 Raul de Oliveira Freitas는 말합니다.
이 연구에서는 저렴한 재료인 요오드화납을 사용하여 이 주파수 범위에서 방사선의 도파관 역할을 할 수 있는 고품질 층상 결정을 생산하는 방법을 조사했습니다.
이 플랫폼은 특정 진동 모드를 증폭하여 빛을 제한하고 특정 주파수를 선택하는 공진기 역할을 할 수 있습니다. 또한 빛의 빔을 두 개 이상의 경로로 분할하여 광 신호를 분산시키는 빔 분할기 역할을 하거나 정보를 인코딩하기 위해 강도, 위상 또는 주파수와 같은 빛의 속성을 변경하는 변조기 역할을 할 수도 있습니다.
이 작업의 가장 혁신적인 측면은 파장보다 훨씬 작은 부피 내에 빛을 가두는 능력입니다.
"테라헤르츠 범위에서 빛은 수백 마이크로미터의 파장을 갖습니다. 우리가 하는 일은 이 빛을 서브마이크로미터 영역 내에 가두는 것입니다"라고 Freitas는 설명합니다.
이는 결정 격자(포논)의 원자 진동을 빛과 결합하는 하이브리드 준입자인 포논{0}}폴라리톤의 형성을 통해 가능합니다.
“마치 포논이 빛을 입고 독특한 특성을 지닌 준입자를 형성하는 것과 같습니다. 이러한 준입자의 전파 특성과 물질과의 상호 작용은 고립된 빛과 고립된 포논과 다릅니다.”라고 연구원은 말합니다.
빛을 극단적으로 제한하려면 회절 한계를 넘어서 작동해야 하며, 이는 기존 광학 시스템의 분해능을 제한합니다.
"고전적인 광학에서는 빛의 파장보다 훨씬 작은 구조를 관찰하거나 조작하는 것이 불가능합니다. 폴라리톤을 사용하여 우리는 그 한계를 극복했습니다."라고 Freitas는 말합니다.
이를 달성하기 위해 연구원들은 전자기장을 극도로 압축하기 위해 나노 크기의 금속 팁을 사용하는 기술인 산란-형 근거리-광주사 현미경(s-SNOM)을 사용했습니다.
"팁은 안테나 역할을 하며 원래 파장에 관계없이 수십 나노미터 크기의 전기장 핫스팟을 생성합니다. 이를 통해 빛의 공간 규모를 대폭 줄일 수 있습니다"라고 Freitas는 말합니다.
"또한 s-SNOM 프로브의 전기장 밀도는 최대 10입니다.5이는 자유파보다 몇 배 더 높은 것으로 나노포토닉 연구 기술의 우수성을 설명합니다. 우리는 200마이크로미터 파장을 50나노미터보다 작은 부피에 가둘 수 있었습니다."
연구의 또 다른 주요 발견은 PbI의 포논-폴라리톤의 높은 품질 요소였습니다.2. 품질 계수는 진동이 소멸되기 전에 지속되는 시간을 측정한 것입니다.
"시스템이 더 오래 진동할수록 품질 계수가 높아집니다. PbI2Freitas는 "적외선 범위의 기준 물질인 육방정계 질화붕소(hBN)와 유사하게 수행됩니다"라고 말합니다.
간단하고 지속 가능한 대체품
요오드화 납과 달리 육방정계 질화붕소(hBN)는 합성하기 매우 어려운 물질로 극한의 압력과 온도 조건이 필요합니다. 20년이 넘는 연구 끝에도 전 세계적으로 이 소재를 고품질로 생산하는 데 성공한 그룹은 거의 없습니다. 게다가 그 특성으로 인해 중{2}}적외선 범위에는 적합하지만 테라헤르츠 범위에는 적합하지 않습니다.
반면, 요오드화납에는 요오드와 납이라는 두 가지 저렴하고 자연적으로 발생하는 전구체가 있습니다. 또한 매우 간단한 방법으로 결정화할 수도 있습니다.
"과포화 용액이 얻어질 때까지 소금을 물에 녹이고 약 80°C-로 가열하면 됩니다. 이는 가정용 스토브에서 할 수 있는 수준입니다. 냉각하는 동안 물질은 결정화되어 수집할 수 있는 구조를 형성합니다."라고 연구원은 말합니다.
나노 규모로 빛을 조작하는 능력은 전자 회로를 대체하거나 보완할 수 있는 통합 광자 회로의 길을 열어줍니다.
"현재 정보는 전자를 통해 장치 내에서 전송됩니다. 빛을 사용하면 속도가 크게 향상되고 손실이 줄어들 수 있습니다. 이는 통신 분야에서 일어난 일과 유사합니다."라고 Freitas는 말합니다.
"이전에 우리는 전기 케이블을 사용했지만 오늘날에는 훨씬 더 빠른 속도를 허용하는 광섬유를 사용합니다. 동일한 원리가 칩 내부에 적용될 수 있습니다. 그리고 더 빠른 속도 외에도 에너지 절약이 있습니다. 빛은 전류보다 손실이 훨씬 적습니다. 따라서 더 효율적이고 지속 가능한 솔루션이 될 수 있습니다."
