Naukowcy sterują materiałami w niebywały sposób. I to szybciej niż mgnienie oka

Hybrydowe nanoanteny łamią bariery prędkości

Zespół z Uniwersytetu w Bielefeld i Instytutu Leibniza w Dreźnie stworzył hybrydowe nanoanteny przekształcające promieniowanie terahercowe w silne pola elektryczne. Takowe mogą posłużyć do sterowania materiałami takimi jak dwusiarczek molibdenu. Dotychczasowe metody kontroli właściwości elektronicznych miały zasadnicze ograniczenia, przede wszystkim w kontekście wolnych czasów reakcji. Nowe rozwiązanie wykorzystuje hybrydowe nanoanteny, które przekształcają pole terahercowe w pionowe pole bramkujące. Kluczowe okazało się wzmocnienie sygnału do poziomu megawoltów na centymetr. Uzyskano współczynniki wzmocnienia od 13,3 do 25, osiągając pole elektryczne o natężeniu 0,94–2,4 MV/cm.

Czytaj też: Chiny tworzą największy kryształ laserowy świata. Nowa era broni energetycznej?

Najistotniejszym osiągnięciem członków zespołu badawczego była obserwacja tzw. koherentnego przesunięcia Starka w rezonansach ekscytonowych dwutlenku molibdenu. Zjawisko polega na zmianie poziomów energetycznych pod wpływem zewnętrznego pola. Jak zauważa jeden z autorów badań, Tomoki Hiraoka, obserwowanie tak silnego i spójnego efektu wywołanego wyłącznie impulsami światła terahercowego było bardzo satysfakcjonujące. W toku eksperymentów odnotowano modulację energii rezonansowej rzędu 6-7 meV dla ekscytonów A i B, a wszystko to z różnymi typami przesunięć. Fizycy wymieniają zarówno przesunięcie ku wyższym energiom, zmiany w obu kierunkach, jak i przesunięcie ku niższym energiom. Ważnym aspektem działania wdrożonej strategii jest to, że wyróżnia się ona nieniszczącym charakterem. Mówiąc krótko, w przeciwieństwie do statycznego napięcia, które często uszkadzało próbki, bramkowanie terahercowe pozostawia materiał nietknięty.

Praktyczne zastosowania przełomu, czyli perspektywy dla ultraszybkiej elektroniki

Technologia, nad którą pracują autorzy publikacji zamieszczonej w Nature Communications, toruje drogę dla rozwoju optoelektroniki o bezprecedensowej szybkości. Jak zauważają autorzy tego artykułu, ich podejście wykorzystuje samo światło terahercowe do generowania sygnału sterującego w materiale półprzewodnikowym, co powinno prowadzić do rozwoju ultraszybkiej technologii optoelektronicznej, która do tej pory pozostawała poza zasięgiem badaczy. Potencjalne zastosowania obejmują projektowanie tranzystorów pikosekundowych, fotodetektorów nowej generacji, zaawansowanych modulatorów optycznych czy też memrystorów służących do obliczeń neuromorficznych.

Czytaj też: Nowy stan materii kwantowej wstrząsnął światem. Wykazuje zaskakującą odporność na promieniowanie

Poza tym mówi się o scenariuszu, w którym poczynione postępy służą fizykom na potrzeby badań nad przejściami fazowymi i zjawiskami kwantowymi w materiałach 2D. Droga do sukcesu była kręta i wymagała sporo cierpliwości, ponieważ naukowcy stojący za przełomem mówią o ogromie pracy, której było trzeba, żeby wyprodukować i przetestować wiele różnych struktur, zanim udało się osiągnąć pożądaną wydajność. Podsumowująca te działania publikacja pokazuje realny postęp w wykorzystaniu materiałów dwuwymiarowych. Łączy bezstykowe sterowanie z miniaturyzacją i oszczędnością energii, co powinno być kluczowymi cechami dla przyszłych systemów komunikacyjnych. Technologia wydaje się szczególnie obiecująca tam, gdzie liczy się każdy ułamek sekundy, na przykład w sieciach nowej generacji czy systemach przetwarzania kwantowego.