Illustrazione di un monostrato di cristalli di disolfuro di tungsteno sospeso in aria e modellato con una matrice quadrata di nanofori. All'eccitazione del laser, il cristallo monostrato emette fotoluminescenza. Una parte di questa luce si accoppia nel cristallo monostrato ed è guidata lungo il materiale. All'array nanohole, la modulazione periodica dell'indice di rifrazione fa sì che una piccola parte della luce decada fuori dal piano del materiale, consentendo di osservare la luce come risonanza in modalità guidata. Attestazione:Cubukcu lab
Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato il dispositivo ottico più sottile al mondo:una guida d'onda composta da tre strati di atomi sottili.
Il lavoro è una prova del concetto per ridimensionare i dispositivi ottici a dimensioni che sono ordini di grandezza inferiori rispetto ai dispositivi odierni. Potrebbe portare allo sviluppo di una maggiore densità, chip fotonici di maggiore capacità. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il 12 agosto in Nanotecnologia della natura .
"Fondamentalmente, dimostriamo il limite ultimo per quanto sottile può essere costruita una guida d'onda ottica, ", ha affermato l'autore senior Ertugrul Cubukcu, un professore di nanoingegneria e ingegneria elettrica alla UC San Diego.
La nuova guida d'onda misura circa sei angstrom sottili, ovvero più di 10, 000 volte più sottile di una tipica fibra ottica e circa 500 volte più sottile delle guide d'onda ottiche su chip nei circuiti fotonici integrati.
La guida d'onda è costituita da un monostrato di disolfuro di tungsteno (costituito da uno strato di atomi di tungsteno racchiusi tra due strati di atomi di zolfo) sospeso su un telaio di silicio. Il monostrato è anche modellato con una serie di fori di dimensioni nanometriche che formano un cristallo fotonico.
La particolarità di questo cristallo monostrato è che supporta coppie elettrone-lacuna, conosciuti come eccitoni, a temperatura ambiente. Questi eccitoni generano una forte risposta ottica, conferendo al cristallo un indice di rifrazione circa quattro volte maggiore di quello dell'aria, che circonda le sue superfici. A confronto, un altro materiale con lo stesso spessore non avrebbe un indice di rifrazione così alto. Quando la luce viene inviata attraverso il cristallo, è intrappolato all'interno e guidato lungo il piano dalla totale riflessione interna. Questo è il meccanismo di base per il funzionamento di una guida d'onda ottica.
Immagine SEM della struttura della guida d'onda:un monoloayer di disolfuro di tungsteno sospeso modellato con fori di dimensioni nanometriche. Attestazione:Cubukcu lab
Un'altra caratteristica speciale è che la guida d'onda canalizza la luce nello spettro visibile. "È difficile farlo con un materiale così sottile, " Ha detto Cubukcu. "La guida d'onda è stata precedentemente dimostrata con il grafene, che è anche atomicamente sottile, ma a lunghezze d'onda infrarosse. Abbiamo dimostrato per la prima volta la guida d'onda nella regione del visibile".
I fori nanodimensionali incisi nel cristallo consentono alla luce di disperdersi perpendicolarmente al piano in modo che possa essere osservata e sondata. Questa serie di fori produce una struttura periodica che fa raddoppiare il cristallo anche come risonatore.
"Questo lo rende anche il risonatore ottico più sottile per la luce visibile mai dimostrato sperimentalmente, " ha detto il primo autore Xingwang Zhang, che ha lavorato a questo progetto come ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Cubukcu presso l'UC San Diego. "Questo sistema non solo migliora in modo risonante l'interazione luce-materia, ma funge anche da accoppiatore a reticolo di secondo ordine per accoppiare la luce nella guida d'onda ottica."
I ricercatori hanno utilizzato tecniche avanzate di micro e nanofabbricazione per creare la guida d'onda. La creazione della struttura è stata particolarmente impegnativa, disse Chawina De-Eknamkul, un dottorato di ricerca in nanoingegneria. studente alla UC San Diego e coautore dello studio. "Il materiale è atomicamente sottile, quindi abbiamo dovuto escogitare un processo per sospenderlo su un telaio in silicone e modellarlo con precisione senza romperlo, " lei disse.
Il processo inizia con una sottile membrana in nitruro di silicio supportata da un telaio in silicio. Questo è il substrato su cui è costruita la guida d'onda. Una serie di fori di dimensioni nanometriche è modellata nella membrana per creare un modello. Prossimo, un monostrato di cristalli di disolfuro di tungsteno è stampato sulla membrana. Gli ioni vengono quindi inviati attraverso la membrana per incidere lo stesso modello di fori nel cristallo. Nell'ultimo passaggio, la membrana in nitruro di silicio viene delicatamente asportata, lasciando il cristallo sospeso sulla cornice di silicio. Il risultato è una guida d'onda ottica in cui il nucleo è costituito da un cristallo fotonico di disolfuro di tungsteno monostrato circondato da un materiale (aria) con un indice di rifrazione inferiore.
Andando avanti, il team continuerà ad esplorare le proprietà fondamentali e la fisica relative alla guida d'onda.
