Illustration av ett monoskikt av volframdisulfidkristall upphängd i luft och mönstrad med en fyrkantig uppsättning nanohål. Vid laser excitation, monoskiktskristallen avger fotoluminescens. En del av detta ljus kopplas in i enskikskristallen och styrs längs med materialet. Vid nanohålsarrayen, periodisk modulering i brytningsindex får en liten del av ljuset att förfalla ur materialets plan, så att ljuset kan observeras som guidad modresonans. Upphovsman:Cubukcu lab
Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat den tunnaste optiska enheten i världen - en vågledare som är tre lager atomer tunn.
Arbetet är ett bevis på konceptet för att skala upp optiska enheter till storlekar som är mindre än dagens enheter. Det kan leda till utveckling av högre densitet, fotoniska chips med högre kapacitet. Forskare publicerade sina resultat 12 augusti Naturnanoteknik .
"I grunden vi visar den yttersta gränsen för hur tunn en optisk vågledare kan byggas, "sade författaren Ertugrul Cubukcu, professor i nanoteknik och elektroteknik vid UC San Diego.
Den nya vågledaren mäter cirka sex ångström tunn - det vill säga mer än 10, 000 gånger tunnare än en typisk optisk fiber och cirka 500 gånger tunnare än optiska vågledare på chip i integrerade fotoniska kretsar.
Vågledaren består av ett volframdisulfid -monoskikt (bestående av ett lager volframatomer inklämt mellan två lager svavelatomer) suspenderat på en kiselram. Monoskiktet är också mönstrat med en uppsättning nanosiserade hål som bildar en fotonisk kristall.
Det som är speciellt med denna enskikskristall är att den stöder elektronhålspar, känd som excitoner, vid rumstemperatur. Dessa excitoner genererar ett starkt optiskt svar, ger kristallen ett brytningsindex som är ungefär fyra gånger större än luftens, som omger dess ytor. Som jämförelse, ett annat material med samma tjocklek skulle inte ha lika högt brytningsindex. När ljus skickas genom kristallen, den är instängd och styrd längs planet genom total inre reflektion. Detta är den grundläggande mekanismen för hur en optisk vågledare fungerar.
SEM -bild av vågledarkonstruktionen:ett suspenderat volfram -disulfid -monoskikt mönstrat med nanosiserade hål. Upphovsman:Cubukcu lab
En annan särdrag är att vågledarkanalerna lyser i det synliga spektrumet. "Det här är utmanande att göra i ett material som är så tunt, "Cubukcu sa." Waveguiding har tidigare visats med grafen, som också är atomärt tunn, men vid infraröda våglängder. Vi har demonstrerat för första gången vågledning i det synliga området. "
Nanosiserade hål etsade in i kristallen tillåter att lite ljus sprids vinkelrätt mot planet så att det kan observeras och sonderas. Denna uppsättning hål ger en periodisk struktur som gör att kristallen också fungerar som en resonator.
"Detta gör den också till den tunnaste optiska resonatorn för synligt ljus som någonsin kan demonstreras experimentellt, "sa den första författaren Xingwang Zhang, som arbetade med detta projekt som postdoktor i Cubukcus laboratorium vid UC San Diego. "Detta system förbättrar inte bara resonans mellan ljus och materia, men fungerar också som en andra ordnings gallerkopplare för att koppla ljuset till den optiska vågledaren. "
Forskare använde avancerade mikro- och nanofabriceringstekniker för att skapa vågledaren. Att skapa strukturen var särskilt utmanande, sa Chawina De-Eknamkul, en nanoingenjör Ph.D. student vid UC San Diego och medförfattare till studien. "Materialet är atomärt tunt, så vi var tvungna att utforma en process för att hänga upp den på en kiselram och mönstra den exakt utan att bryta den, " Hon sa.
Processen börjar med ett tunt kiselnitridmembran som stöds av en kiselram. Detta är substratet på vilket vågledaren är byggd. En rad nanosiserade hål mönstras in i membranet för att skapa en mall. Nästa, ett monoskikt av volframdisulfidkristall stämplas på membranet. Jon skickas sedan genom membranet för att etsa samma mönster av hål i kristallen. I det sista steget, kiselnitridmembranet etsas försiktigt bort, lämnar kristallen upphängd på kiselramen. Resultatet är en optisk vågledare i vilken kärnan består av en monoskikts volframdisulfidfotonkristall omgiven av ett material (luft) med ett lägre brytningsindex.
Går vidare, laget kommer att fortsätta att utforska de grundläggande egenskaperna och fysiken som rör vågledaren.
