Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben het dunste optische apparaat ter wereld ontwikkeld:een golfgeleider die uit drie lagen atomen bestaat.

Het werk is een proof of concept voor het verkleinen van optische apparaten tot formaten die orden van grootte kleiner zijn dan de huidige apparaten. Het zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van een hogere dichtheid, fotonische chips met een hogere capaciteit. Onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 12 augustus in Natuur Nanotechnologie .

"Fundamenteel, we demonstreren de ultieme limiet voor hoe dun een optische golfgeleider kan worden gebouwd, " zei senior auteur Ertugrul Cubukcu, een professor in nano-engineering en elektrotechniek aan de UC San Diego.

De nieuwe golfgeleider is ongeveer zes angstrom dun - dat is meer dan 10, 000 keer dunner dan een typische optische vezel en ongeveer 500 keer dunner dan on-chip optische golfgeleiders in geïntegreerde fotonische schakelingen.

De golfgeleider bestaat uit een monolaag van wolfraamdisulfide (bestaande uit één laag wolfraamatomen ingeklemd tussen twee lagen zwavelatomen) opgehangen aan een siliciumframe. De monolaag heeft ook een patroon met een reeks gaten van nanogrootte die een fotonisch kristal vormen.

Het bijzondere aan dit monolaagkristal is dat het elektron-gatparen ondersteunt, bekend als excitonen, op kamertemperatuur. Deze excitonen genereren een sterke optische respons, het kristal een brekingsindex geven die ongeveer vier keer groter is dan die van lucht, die zijn oppervlakken omringt. Ter vergelijking, een ander materiaal met dezelfde dikte zou niet zo'n hoge brekingsindex hebben. Wanneer licht door het kristal wordt gestuurd, het zit erin gevangen en wordt langs het vlak geleid door totale interne reflectie. Dit is het basismechanisme voor hoe een optische golfgeleider werkt.

Een ander bijzonder kenmerk is dat de golfgeleider licht in het zichtbare spectrum kanaliseert. "Dit is een uitdaging om te doen in een materiaal dat zo dun is, Cubukcu zei. "Golfgeleiding is eerder aangetoond met grafeen, die ook atomair dun is, maar op infrarode golflengten. We hebben voor het eerst golfgeleiding gedemonstreerd in het zichtbare gebied."

Gaten van nanoformaat die in het kristal zijn geëtst, zorgen ervoor dat wat licht loodrecht op het vlak kan worden verstrooid, zodat het kan worden waargenomen en onderzocht. Deze reeks gaten produceert een periodieke structuur die het kristal ook als resonator verdubbelt.

"Dit maakt het ook de dunste optische resonator voor zichtbaar licht die ooit experimenteel is aangetoond, " zei eerste auteur Xingwang Zhang, die aan dit project werkte als postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Cubukcu aan de UC San Diego. "Dit systeem verbetert niet alleen op resonante wijze de interactie tussen licht en materie, maar dient ook als een tweede-orde roosterkoppeling om het licht in de optische golfgeleider te koppelen."

Onderzoekers gebruikten geavanceerde micro- en nanofabricagetechnieken om de golfgeleider te maken. Het creëren van de structuur was bijzonder uitdagend, zei Chawina De-Eknamkul, een nano-engineering Ph.D. student aan UC San Diego en een co-auteur van de studie. "Het materiaal is atomair dun, dus we moesten een proces bedenken om het op een siliconen frame te hangen en het precies te modelleren zonder het te breken, " ze zei.

Het proces begint met een dun siliciumnitridemembraan dat wordt ondersteund door een siliciumframe. Dit is het substraat waarop de golfgeleider is gebouwd. Een reeks gaatjes van nanoformaat wordt in het membraan gepatroneerd om een ​​sjabloon te creëren. Volgende, een monolaag van wolfraamdisulfidekristal wordt op het membraan gestempeld. Ionen worden vervolgens door het membraan gestuurd om hetzelfde gatenpatroon in het kristal te etsen. In de laatste stap, het siliciumnitridemembraan wordt voorzichtig weggeëtst, het kristal op het siliciumframe laten hangen. Het resultaat is een optische golfgeleider waarin de kern bestaat uit een monolaag wolfraamdisulfide fotonisch kristal omgeven door een materiaal (lucht) met een lagere brekingsindex.

Vooruit gaan, het team zal de fundamentele eigenschappen en fysica van de golfgeleider blijven onderzoeken.