Un cristall lamel·lar bidimensional format per capes atòmicament primes de iodur de plom (PbI2) es podria utilitzar per fabricar una nova generació de circuits que utilitzen vibracions lleugeres i mecàniques (en lloc d'electrons) per transmetre informació en el rang de freqüències de terahertz.
Investigadors del Centre Brasiler de Recerca en Energia i Materials (CNPEM), en col·laboració amb col·legues de la Universitat de Lille (França) i altres institucions internacionals, han estudiat aquesta tecnologia i han publicat els seus resultats aComunicacions de la natura.
La banda de terahertzs correspon a una regió de baixa-energia de l'espectre electromagnètic situada entre els infrarojos i les microones. Malgrat això, es considera crucial per desenvolupar-tecnologies de comunicació d'alta velocitat.
"Avui, la Wi-Fi i 5G funcionen a freqüències d'uns quants gigahertzs (GHz, 109hertz). Però hi ha interès a avançar cap a centenars de gigahertz, o fins i tot terahertz (1012hertz), perquè com més gran sigui la freqüència, més gran serà l'amplada de banda i la capacitat de transmissió de dades", diu Raul de Oliveira Freitas, cap de la línia de llum d'Imbuia al Laboratori de Llum de Sincrotró de Brasil (LNLS-CNPEM) i coordinador de l'estudi.
L'estudi va investigar com produir un cristall en capes{0}}d'alta qualitat capaç d'actuar com a guia d'ona per a la radiació en aquest rang de freqüències mitjançant iodur de plom, un material econòmic.
Aquesta plataforma podria funcionar com un ressonador, que limita la llum i selecciona freqüències específiques amplificant certs modes d'oscil·lació. També podria funcionar com a divisor de feix, que divideix un feix de llum en dos o més camins per permetre que el senyal òptic es distribueixi, o com a modulador, que altera les propietats de la llum, com la intensitat, la fase o la freqüència, per codificar la informació.
L'aspecte més innovador de l'obra és la capacitat de confinar la llum dins de volums molt més petits que la seva longitud d'ona.
"En el rang de terahertz, la llum té longituds d'ona de centenars de micròmetres. El que fem és limitar aquesta llum dins de regions submicromètriques", explica Freitas.
Això és possible gràcies a la formació de fonons-polaritons, que són quasipartícules híbrides que combinen les vibracions dels àtoms de la xarxa cristal·lina (fonons) amb la llum.
"És com si el fonó estigués vestit de llum, formant una quasipartícula amb propietats úniques. Les característiques de propagació i la interacció amb la matèria d'aquestes quasipartícules difereixen tant de la llum aïllada com dels fonons aïllats", comenta l'investigador.
El confinament extrem de la llum implica operar més enllà del límit de difracció, que restringeix la resolució dels sistemes òptics convencionals.
"En l'òptica clàssica, no és possible observar o manipular estructures molt més petites que la longitud d'ona de la llum. Amb els polaritons, hem aconseguit superar aquest límit", diu Freitas.
Per aconseguir-ho, els investigadors van utilitzar la microscòpia d'escaneig òptic de camp-de tipus-dispersió propera (s-SNOM), una tècnica que utilitza puntes metàl·liques a nanoescala per comprimir extremadament camps electromagnètics.
"La punta actua com una antena i crea un punt calent de camp elèctric amb dimensions de l'ordre de desenes de nanòmetres, independentment de la longitud d'ona original. Això permet una reducció dràstica de l'escala espacial de la llum", diu Freitas.
"A més, la densitat de camp elèctric a les sondes s-SNOM és de fins a 105vegades superior a les ones lliures, la qual cosa explica la superioritat de la tècnica per a la investigació nanofotònica. Vam poder confinar una ona de 200 micròmetres en un volum inferior a 50 nanòmetres".
Un altre descobriment clau de l'estudi va ser el factor d'alta qualitat dels -polaritons fonònics en PbI2. El factor de qualitat és una mesura de quant de temps persisteix l'oscil·lació abans de dissipar-se.
"Com més oscil·la el sistema, més gran és el factor de qualitat. PbI2realitzat de manera comparable al nitrur de bor hexagonal (hBN), que és el material de referència en el rang d'infrarojos", diu Freitas.
Un substitut senzill i sostenible
A diferència del iodur de plom, el nitrur de bor hexagonal (hBN) és un material extremadament difícil de sintetitzar, que requereix condicions de pressió i temperatura extremes. Fins i tot després de més de dues dècades d'investigació, pocs grups a tot el món han dominat la producció d'aquest material amb una alta qualitat. A més, les seves propietats el fan adequat per al rang d'infraroig mitjà-, però no per al rang de terahertz.
El iodur de plom, en canvi, té dos precursors econòmics i naturals: el iode i el plom. També es pot cristal·litzar d'una manera extremadament senzilla.
"Simplement dissoleu la sal en aigua fins que s'obté una solució sobresaturada i escalfeu-la a uns 80 graus C-cosa que es pot fer en una estufa domèstica. Durant el refredament, el material cristal·litza, formant estructures que es poden recollir", diu l'investigador.
La capacitat de manipular la llum a escala nanomètrica obre el camí per a circuits fotònics integrats capaços de substituir o complementar circuits electrònics.
"Actualment, la informació es transmet dins dels dispositius mitjançant electrons. L'ús de la llum pot augmentar dràsticament la velocitat i reduir les pèrdues. És anàleg al que va passar en el camp de les telecomunicacions", diu Freitas.
"Abans fèiem servir cables elèctrics; avui en dia, fem servir fibres òptiques, que permeten velocitats molt més altes. El mateix principi es pot aplicar dins dels xips. I, a més de velocitats més altes, hi ha estalvi energètic: la llum pateix moltes menys pèrdues que els corrents elèctrics. Això pot donar lloc a solucions més eficients i sostenibles".
