Due gruppi di ricerca dell'ETH di Zurigo hanno unito le forze per sviluppare un nuovo rilevatore di luce. È costituito da strati bidimensionali di materiali diversi che sono accoppiati a una guida d'onda ottica in silicio. Nel futuro, questo approccio può essere utilizzato anche per realizzare LED e modulatori ottici.

Modulatori veloci e altamente efficienti, nonché rilevatori di luce, sono i componenti principali della trasmissione di dati tramite cavi in ​​fibra ottica. Negli ultimi anni, quei mattoni per le telecomunicazioni basati su materiali ottici esistenti sono stati costantemente migliorati, ma ora sta diventando sempre più difficile ottenere ulteriori miglioramenti. Ciò richiede le forze combinate di diverse specializzazioni, come hanno dimostrato ora due gruppi di ricerca dell'ETH di Zurigo.

Un gruppo di scienziati guidati dai professori Jürg Leuthold dell'Istituto per i campi elettromagnetici e Lukas Novotny dell'Istituto per la fotonica, insieme ai colleghi del National Institute for Material Science di Tsukuba (Giappone), hanno sviluppato un rilevatore di luce estremamente veloce e sensibile basato sull'interazione tra nuovi materiali bidimensionali e guide d'onda ottiche nanofotoniche. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Nanotecnologia della natura .

Materiali bidimensionali

"Nel nostro rivelatore abbiamo voluto sfruttare i vantaggi dei diversi materiali superando i loro vincoli individuali, " spiega Nikolaus Flöry, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Novotny. "Il modo migliore per farlo è fabbricare una sorta di cristallo artificiale, noto anche come eterostruttura, da diversi strati che hanno ciascuno uno spessore di pochi atomi. Inoltre, eravamo interessati a sapere se tutto il ronzio su questi materiali bidimensionali per applicazioni pratiche è effettivamente giustificato."

Nei materiali bidimensionali, come il grafene, gli elettroni si muovono solo in un piano anziché in tre dimensioni spaziali. Questo altera profondamente le loro proprietà di trasporto, ad esempio quando viene applicata una tensione elettrica. Sebbene il grafene non sia la scelta ideale per le applicazioni ottiche, composti di metalli di transizione come molibdeno o tungsteno e calcogeni come zolfo o tellurio (abbreviato come TMDC) sono altamente fotosensibili e, oltre a ciò, può essere facilmente combinato con guide d'onda ottiche al silicio.

Interazione di diversi approcci

L'esperienza per le guide d'onda e l'optoelettronica ad alta velocità è arrivata dal gruppo di ricerca di Jürg Leuthold. Ping Ma, il Senior Scientist del gruppo, sottolinea che è stata l'interazione tra i due approcci a rendere possibile il nuovo rivelatore:"Comprendere sia i materiali bidimensionali che le guide d'onda attraverso le quali la luce viene alimentata nel rivelatore è stata di fondamentale importanza per il nostro successo. Insieme, ci siamo resi conto che i materiali bidimensionali sono particolarmente adatti ad essere combinati con le guide d'onda in silicio. Le specializzazioni dei nostri gruppi si completavano perfettamente a vicenda".

I ricercatori hanno dovuto trovare un modo per rendere più veloci i rilevatori basati su TMDC, normalmente piuttosto lenti. D'altra parte, il rivelatore doveva essere accoppiato in modo ottimale alle strutture di silicio utilizzate come interfaccia senza sacrificare le sue prestazioni ad alta velocità.

Velocità attraverso la struttura verticale

"Abbiamo risolto il problema della velocità realizzando un'eterostruttura verticale composta da un TMDC—ditellururo di molibdeno nel nostro caso—e grafene, " dice Flöry. Diversamente dai rilevatori convenzionali, in questo modo gli elettroni eccitati dalle particelle di luce in arrivo non hanno bisogno di farsi strada attraverso la massa del materiale prima di essere misurati. Anziché, lo strato bidimensionale di TMDC assicura che gli elettroni possano lasciare il materiale in brevissimo tempo sia verso l'alto che verso il basso.

Più velocemente se ne vanno, maggiore è la larghezza di banda del rivelatore. La larghezza di banda indica a quale frequenza possono essere ricevuti i dati codificati in impulsi luminosi. "Speravamo di ottenere qualche Gigahertz di larghezza di banda con la nostra nuova tecnologia:alla fine, abbiamo effettivamente raggiunto i 50 Gigahertz, " dice Flöry. Finora, larghezze di banda inferiori a un Gigahertz erano possibili con i rilevatori basati su TMDC.

Ottimo accoppiamento della luce, d'altra parte, was achieved by integrating the detector into a nano-photonic optical waveguide. A so-called evanescent wave, which laterally protrudes from the waveguide, feeds the photons through a graphene layer (which has a low electrical resistance) into the molybdenum-ditelluride layer of the heterostructure.

Là, they excite electrons that are eventually detected as a current. The integrated waveguide design ensures that enough light is absorbed in that process.

Technology with multiple possibilities

The ETH researchers are convinced that with this combination of waveguides and heterostructures they can make not just light detectors, but also other optical elements such as light modulators, LEDs and lasers. "The possibilities are almost limitless, " Flöry and Ma enthuse about their discovery. "We just picked out the photodetector as an example of what can be done with this technology."

Nel futuro prossimo, the scientists want to use their findings and investigate other two-dimensional materials. About a hundred of them are known to date, which gives countless possible combinations for novel heterostructures. Inoltre, they want to exploit other physical effects, such as plasmons, in order to improve the performance of their device even further.