Ilustração de uma monocamada de cristal de dissulfeto de tungstênio suspensa no ar e padronizada com uma matriz quadrada de nanofuros. Após a excitação do laser, o cristal monocamada emite fotoluminescência. Uma parte dessa luz acopla-se ao cristal monocamada e é guiada ao longo do material. Na matriz nanohole, a modulação periódica no índice de refração faz com que uma pequena porção da luz desapareça do plano do material, permitindo que a luz seja observada como ressonância de modo guiado. Crédito:Laboratório de Cubukcu
Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram o dispositivo óptico mais fino do mundo - um guia de ondas com três camadas de átomos finos.
O trabalho é uma prova de conceito para reduzir os dispositivos ópticos a tamanhos ordens de magnitude menores do que os dispositivos de hoje. Isso pode levar ao desenvolvimento de maior densidade, chips fotônicos de maior capacidade. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 12 de agosto em Nature Nanotechnology .
"Fundamentalmente, demonstramos o limite máximo de quão fino um guia de onda óptico pode ser construído, "disse o autor sênior Ertugrul Cubukcu, professor de nanoengenharia e engenharia elétrica na UC San Diego.
O novo guia de ondas mede cerca de seis angstroms de espessura, ou seja, mais de 10, 000 vezes mais fina do que uma fibra ótica típica e cerca de 500 vezes mais fina do que os guias de onda óticos no chip em circuitos fotônicos integrados.
O guia de ondas consiste em uma monocamada de dissulfeto de tungstênio (composta de uma camada de átomos de tungstênio imprensada entre duas camadas de átomos de enxofre) suspensa em uma estrutura de silício. A monocamada também é padronizada com uma matriz de orifícios nanométricos formando um cristal fotônico.
O que é especial sobre este cristal monocamada é que ele suporta pares de elétron-buraco, conhecido como excitons, à temperatura ambiente. Esses excitons geram uma forte resposta óptica, dando ao cristal um índice de refração que é cerca de quatro vezes maior do que o do ar, que envolve suas superfícies. Por comparação, outro material com a mesma espessura não teria um índice de refração tão alto. Quando a luz é enviada através do cristal, ele está preso dentro e guiado ao longo do plano por reflexão interna total. Este é o mecanismo básico de funcionamento de um guia de ondas óptico.
Imagem SEM da estrutura do guia de ondas:uma monocamada de dissulfeto de tungstênio suspensa padronizada com furos nanométricos. Crédito:Laboratório de Cubukcu
Outra característica especial é que os canais de guia de ondas iluminam-se no espectro visível. "É um desafio fazer em um material tão fino, "Cubukcu disse." Waveguiding já foi demonstrado com grafeno, que também é atomicamente fino, mas em comprimentos de onda infravermelhos. Demonstramos pela primeira vez o guia de ondas na região visível. "
Furos nanométricos gravados no cristal permitem que alguma luz se espalhe perpendicularmente ao plano, de modo que possa ser observada e sondada. Essa matriz de orifícios produz uma estrutura periódica que faz o cristal funcionar também como ressonador.
"Isso também o torna o mais fino ressonador óptico para luz visível já demonstrado experimentalmente, "disse o primeiro autor Xingwang Zhang, que trabalhou neste projeto como pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Cubukcu na UC San Diego. "Este sistema não melhora apenas ressonantemente a interação luz-matéria, mas também serve como um acoplador de grade de segunda ordem para acoplar a luz ao guia de onda óptico. "
Os pesquisadores usaram técnicas avançadas de micro e nanofabricação para criar o guia de ondas. Criar a estrutura foi particularmente desafiador, disse Chawina De-Eknamkul, um Ph.D. em nanoengenharia estudante da UC San Diego e co-autor do estudo. "O material é atomicamente fino, então tivemos que conceber um processo para suspendê-lo em uma estrutura de silício e padronizá-lo com precisão, sem quebrá-lo, " ela disse.
O processo começa com uma membrana fina de nitreto de silício suportada por uma estrutura de silício. Este é o substrato sobre o qual o guia de ondas é construído. Uma série de orifícios nanométricos é padronizada na membrana para criar um modelo. Próximo, uma monocamada de cristal de dissulfeto de tungstênio é estampada na membrana. Os íons são então enviados através da membrana para gravar o mesmo padrão de orifícios no cristal. Na última etapa, a membrana de nitreto de silício é cuidadosamente removida, deixando o cristal suspenso na moldura de silício. O resultado é um guia de onda óptico no qual o núcleo consiste em um cristal fotônico de dissulfeto de tungstênio em monocamada rodeado por um material (ar) com um índice de refração mais baixo.
Seguindo em frente, a equipe continuará a explorar as propriedades fundamentais e físicas pertencentes ao guia de ondas.
