p Dois grupos de pesquisa da ETH Zurich uniram forças para desenvolver um novo detector de luz. Ele consiste em camadas bidimensionais de diferentes materiais que são acopladas a um guia de ondas óptico de silício. No futuro, esta abordagem também pode ser usada para fazer LEDs e moduladores ópticos. p Moduladores rápidos e altamente eficientes, bem como detectores de luz, são os principais componentes da transmissão de dados por meio de cabos de fibra óptica. Nos últimos anos, esses blocos de construção para telecomunicações com base em materiais ópticos existentes têm sido constantemente aprimorados, mas agora está ficando cada vez mais difícil conseguir mais melhorias. Isso requer as forças combinadas de diferentes especializações, como dois grupos de pesquisa da ETH Zurich já mostraram.

p Um grupo de cientistas liderado pelos professores Jürg Leuthold do Instituto de Campos Eletromagnéticos e Lukas Novotny do Instituto de Fotônica, junto com colegas do Instituto Nacional de Ciência de Materiais em Tsukuba (Japão), desenvolveram um detector de luz extremamente rápido e sensível baseado na interação entre novos materiais bidimensionais e guias de ondas ópticas nano-fotônicas. Seus resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature Nanotechnology .

p Materiais bidimensionais

p "Em nosso detector, queríamos explorar as vantagens de diferentes materiais e, ao mesmo tempo, superar suas restrições individuais, "explica Nikolaus Flöry, um Ph.D. aluno do grupo de Novotny. "A melhor maneira de fazer isso é fabricar uma espécie de cristal artificial - também conhecido como heteroestrutura - a partir de diferentes camadas, cada uma com apenas alguns átomos de espessura. Além disso, estávamos interessados ​​em saber se todo o burburinho sobre esses materiais bidimensionais para aplicações práticas é realmente justificado. "

p Em materiais bidimensionais, como o grafeno, os elétrons se movem apenas em um plano, em vez de em três dimensões espaciais. Isso altera profundamente suas propriedades de transporte, por exemplo, quando uma tensão elétrica é aplicada. Embora o grafeno não seja a escolha ideal para aplicações ópticas, compostos de metais de transição, como molibdênio ou tungstênio e calcogênios, como enxofre ou telúrio (abreviados como TMDC) são altamente fotossensíveis e, além disso, pode ser facilmente combinado com guias de ondas ópticas de silício.

p Interação de diferentes abordagens

p A experiência em guias de onda e optoeletrônica de alta velocidade veio do grupo de pesquisa de Jürg Leuthold. Ping Ma, o cientista sênior do grupo, salienta que foi a interação entre as duas abordagens que tornou o novo detector possível:"Compreender os materiais bidimensionais e os guias de onda através dos quais a luz é alimentada ao detector foi de fundamental importância para o nosso sucesso. Juntos, percebemos que os materiais bidimensionais são particularmente adequados para serem combinados com guias de onda de silício. As especializações dos nossos grupos complementaram-se perfeitamente. "

p Os pesquisadores tiveram que encontrar uma maneira de tornar os detectores baseados em TMDC normalmente bastante lentos mais rápidos. Por outro lado, o detector precisava ser acoplado de maneira ideal às estruturas de silício usadas como interface, sem sacrificar seu desempenho em alta velocidade.

p Velocidade através da estrutura vertical

p "Resolvemos o problema de velocidade realizando uma heteroestrutura vertical feita de TMDC - ditelureto de molibdênio em nosso caso - e grafeno, "Diz Flöry. Diferentemente dos detectores convencionais, dessa forma, os elétrons excitados pelas partículas de luz que chegam não precisam primeiro percorrer a maior parte do material antes de serem medidos. Em vez de, a camada bidimensional do TMDC garante que os elétrons possam deixar o material em um tempo muito curto, para cima ou para baixo.

p Quanto mais rápido eles saem, quanto maior é a largura de banda do detector. A largura de banda indica em qual frequência os dados codificados em pulsos de luz podem ser recebidos. "Esperávamos obter alguns Gigahertz de largura de banda com nossa nova tecnologia - no final, chegamos a 50 Gigahertz, "diz Flöry. Até agora, larguras de banda menores que um Gigahertz eram possíveis com detectores baseados em TMDC.

p Acoplamento de luz ideal, por outro lado, foi alcançado integrando o detector em um guia de onda óptico nano-fotônico. A chamada onda evanescente, que se projeta lateralmente do guia de ondas, alimenta os fótons através de uma camada de grafeno (que tem uma baixa resistência elétrica) na camada de ditelureto de molibdênio da heteroestrutura.

p Lá, eles excitam elétrons que são eventualmente detectados como uma corrente. O design do guia de ondas integrado garante que luz suficiente seja absorvida nesse processo.

p Technology with multiple possibilities

p 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."

p No futuro próximo, 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. Além disso, they want to exploit other physical effects, such as plasmons, in order to improve the performance of their device even further.