Forskere har klart å fange stråler av infrarødt lys i et gitter av spesialutformede atomer som bare er 42 nanometer tykt. Det tilsvarer omtrent 2.000 ganger tynnere enn et menneskehår, og enda tynnere enn en svært tynn flik av et vanlig ark.
Gjennombruddet er ledet av et forskerteam ved Universitetet i Warszawa i Polen, og kan få stor betydning for utviklingen av lysbasert elektronikk. Etter hvert som teknologiske komponenter blir mindre og mer presise, blir evnen til å kontrollere lys på mikroskopisk nivå stadig viktigere.
Resultatet er også et viktig skritt i forskningen på infrarødt lys, som har lengre bølgelengder enn synlig lys. Å klare å holde infrarødt lys fast i ekstremt små rom er krevende, og utfordrer grensene for hva som er mulig innen fysikk.
– De presenterte resultatene er lovende for utviklingen av flate, ultrakompakte enheter for lasing, kontroll av bølgefront og høyereordens topologiske lystilstander, skriver forskerne i artikkelen.
Materialet som gjør trikset mulig
Nøkkelen til forsøket ligger i materialet som brukes i gitteret som holder lyset på plass. Strukturen er laget av lagdelte atomer av molybden og selen, som til sammen danner en ultratynn variant av molybden-diselenid, MoSe2.
Denne kjemiske oppbygningen gir materialet en svært høy brytningsindeks, altså evnen til å bøye og bremse lys. Det er nettopp dette som gjør det mulig å «stange» lyset ned og holde det fanget i en ekstremt tynn struktur.
MoSe2 har lenge vært kjent for å ha høy brytningsindeks, men det har vært vanskelig å produsere materialet stabilt og pålitelig i de minste skalaene.
Atomisk «printing» og mikroskopiske spor
I den nye studien brukte forskerne en metode for atomær vekst kjent som molecular beam epitaxy, ofte forkortet MBE, for å lage MoSe2-ark. I tillegg skar de inn mikroskopiske striper i arkene, med mellomrom som er mindre enn bølgelengden til infrarødt lys. Slike subbølgelengde-strukturer er avgjørende for å kunne fange fotonene.
For at dette skulle fungere, måtte forskerne også ta i bruk et kjent, men krevende fysikkfenomen: bound state in the continuum, forkortet BIC. Dette beskriver en tilstand der lysbølger kan holdes innelåst i et materiale selv om de eksisterer side om side med andre bølger som normalt ville strålt bort.
For å skape en BIC må materialer og geometri utformes med svært høy presisjon. Forskerne sørget for dette ved å modellere MoSe2-gitteret nøye før det ble produsert.
– Vi utnyttet den eksepsjonelt høye brytningsindeksen til MoSe2 til å designe og produsere subbølgelengde-gitre basert på MoSe2 som kan huse BIC-er, skriver forskerne.
Kan bane vei for optisk databehandling
Det avanserte oppsettet kan få praktiske konsekvenser på sikt. Forskere undersøker fortsatt muligheten for optisk databehandling, der fotoner erstatter elektroner i deler av teknologien. I teorien kan dette gi raskere databehandling og mindre komponenter.
Det gjenstår fortsatt store utfordringer før optisk databehandling blir en realitet i stor skala. Likevel viser demonstrasjoner som denne at det kan være mulig å fange og manipulere lys med høy presisjon, og i ekstremt små strukturer.
Ikke klart for masseproduksjon ennå
Selv om resultatene er lovende, trengs det mer arbeid før metoden kan brukes stabilt og i stor produksjon. Prosessen med å dyrke arkene var ikke feilfri, og materialet måtte poleres med silkekluter for å fjerne ujevnheter.
Forskerne mener likevel at tilnærmingen kan videreutvikles og brukes bredere. MoSe2 tilhører en større familie av ultratynne materialer kalt overgangsmetall-dikalkogenider, ofte omtalt som TMD-er. Målet er å finne bedre måter å produsere og forme slike materialer på en mer pålitelig måte.
Dersom det lykkes, kan det åpne for enda mindre og raskere enheter enn dagens teknologi, der en del av nøkkelen ligger i å kontrollere og fange lys i ekstremt små rom.
– Den enkle og praktiske bearbeidingen av MoSe2 bekrefter at andre utforminger av fotoniske strukturer, som 2D-metasurflater basert på TMD-lag, er gjennomførbare, skriver forskerne.
Studien er publisert i ACS Nano.
