Εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες ονειρεύονται τη χρήση των εξαιρετικά λεπτών υλικών van der Waals (vdW) για την κατασκευή ταχύτερων και πιο αποδοτικών φωτονικών τσιπ.
Τα υλικά αυτά προσφέρουν δυνατότητες που ξεπερνούν κατά πολύ τις συμβατικές τεχνολογίες, αλλά η ακραία ευθραυστότητά τους καθιστούσε μέχρι σήμερα αδύνατη την επεξεργασία τους με παραδοσιακά εργαλεία νανοκατασκευής.
Μια διεθνής ομάδα ερευνητών, με τη συμμετοχή του Πανεπιστημίου Aalto, κατάφερε να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο αναπτύσσοντας μια μέθοδο που θυμίζει «χειρουργική σε νανοκλίμακα», επιτυγχάνοντας επιδόσεις που καταρρίπτουν κάθε προηγούμενο ρεκόρ.
Μια μικροσκοπική πανοπλία αλουμινίου
Το κύριο πρόβλημα με τα υλικά vdW είναι ότι οι συνήθεις μέθοδοι επεξεργασίας, όπως η λιθογραφία δέσμης ιόντων, είναι πολύ επιθετικές και καταστρέφουν την κρυσταλλική τους δομή. Η λύση που έδωσαν οι ερευνητές ήταν απλή αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική: πριν από τη χάραξη, κάλυψαν το υλικό με ένα λεπτό στρώμα αλουμινίου.
Αυτό το στρώμα λειτούργησε ως προστατευτική ασπίδα, απορροφώντας την καταστροφική κρούση της δέσμης ιόντων και επιτρέποντας τη χάραξη με ακρίβεια μικρότερη των 100 νανομέτρων, διατηρώντας παράλληλα ανέπαφη την ποιότητα του κρυστάλλου.
Εντυπωσιακές επιδόσεις στην παγίδευση φωτός
Χρησιμοποιώντας αυτή τη νέα προσέγγιση, η ομάδα δημιούργησε μικροδίσκους vdW, οι οποίοι λειτουργούν ως «παγίδες» για το φως. Οι δομές αυτές επέτρεψαν στο φως να κυκλοφορεί στο εσωτερικό τους εκατομμύρια φορές με ελάχιστες απώλειες.
Οι συσκευές πέτυχαν συντελεστές ποιότητας (Q factors) άνω του 1.000.000, μια επίδοση που ξεπερνά τα προηγούμενα συστήματα κατά τρεις τάξεις μεγέθους. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι το φως μπορεί να παραμείνει εγκλωβισμένο στον δίσκο για εκατομμύρια κύκλους πριν εξασθενήσει σημαντικά.
Εκρηκτική αύξηση στην απόδοση μετατροπής φωτός
Λόγω του αποτελεσματικού εγκλωβισμού, το φως αλληλεπιδρά πολύ πιο έντονα με το ίδιο το υλικό, ενισχύοντας τα μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα. Κατά τη δοκιμή της παραγωγής δεύτερης αρμονικής – μιας κρίσιμης οπτικής διαδικασίας – οι ερευνητές παρατήρησαν αύξηση της αποδοτικότητας κατά 10.000 φορές σε σύγκριση με τα προηγούμενα ρεκόρ. Αυτή η πρόοδος ανοίγει τον δρόμο για:
- Επαναδιαμορφώσιμα φωτονικά κυκλώματα.
- Κβαντικές πηγές φωτός.
- Οπτικούς αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας ενσωματωμένους απευθείας σε τσιπ.
Η μελέτη αυτή, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Materials, αποδεικνύει ότι υλικά που κάποτε θεωρούνταν πολύ εύθραυστα για μηχανική επεξεργασία μπορούν πλέον να μετατραπούν σε πανίσχυρες φωτονικές συσκευές, θέτοντας τις βάσεις για την επόμενη γενιά κβαντικών και οπτικών υπολογιστών.