Ennätyksellinen fotoniikan keksintö vangitsee valon sirulle miljooniksi kierroksiksi

Vuosien ajan tutkijat ovat haaveilleet atominohuiden van der Waals (vdW) -materiaalien hyödyntämisestä nopeampien ja tehokkaampien fotoniikkasirujen rakentamiseen. Nämä materiaalit koostuvat vain yhden tai muutaman atomikerroksen paksuisista, heikosti toisiinsa sitoutuneista kerroksista, ja niitä voidaan pinota kerros kerrokselta ja muokata erittäin tarkasti.

Tämä mahdollistaa ratkaisuja, joihin perinteiset teknologiat eivät pysty. Haasteena on kuitenkin ollut materiaalien äärimmäinen hauraus, mikä tekee niiden muokkaamisesta tavanomaisilla nanovalmistusmenetelmillä erittäin vaikeaa.

Kansainvälinen tutkimusryhmä, jossa on mukana Aalto-yliopiston tutkijoita, on onnistunut ylittämään tämän esteen luomalla ikään kuin haarniskan suojaamaan hauraita materiaaleja. “Nanoskaalan kirurgiaksi” kutsutulla menetelmällä herkkiä materiaaleja voidaan muokata ilman vaurioita – ja samalla saavuttaa ennätyksellinen suorituskyky.

Nature Materials -lehdessä julkaistu työ on merkittävä edistysaskel vdW-materiaalien hyödyntämisessä fotoniikka- ja kvanttilaitteissa.

Seuraavan sukupolven fotoniikan pullonkaula

Grafeenin löytymisen jälkeen vdW-materiaalit ovat herättäneet kiinnostusta poikkeuksellisten optisten ja elektronisten ominaisuuksiensa ansiosta. Atomisen sileät pinnat ja irrallisten liitosten puuttuminen tekevät niistä erityisen houkuttelevia fotoniikkaan, jossa pienetkin epätäydellisyydet hajottavat valoa ja heikentävät näin suorituskykyä.

“Valtavasta potentiaalista huolimatta vdW-materiaalien käyttäminen rakennuspalikoina on ollut suuri haaste. Tavanomaiset valmistusmenetelmät ovat yksinkertaisesti liian rajuja”, sanoo Aalto-yliopiston tutkija Xiaoqi Cui.

Cuin mukaan perinteiset nanotyöskentelyn menetelmät, kuten fokusoitu ionisuihkulitografia voivat vaurioittaa kiderakennetta tai vääristää valon tehokkaaseen vangitsemiseen tarvittavia rakenteita. Tämän ratkaisemiseksi tutkijat esittivät yksinkertaisen mutta tehokkaan idean: ennen vdW-materiaalin työstöä he päällystivät sen ohuella alumiinikerroksella, joka toimii väliaikaisena suojakilpenä.

“Tämä alumiinikerros toimii kuin mikroskooppinen haarniska. Se ottaa vastaan ionisuihkun tuhoavan iskun ja antaa meidän muotoilla materiaalia alle sadan nanometrin tarkkuudella säilyttäen kuitenkin samalla sen kiteisen laadun”, kertoo tutkija Andreas Liapis.

Ryhmä loi menetelmällä erittäin sileitä vdW-mikrolevyjä, pieniä pyöreitä rakenteita, jotka toimivat valon ansoina. Näissä mikroskooppisissa kiekoissa valo voi kiertää yhä uudelleen ja uudelleen – erittäin vähäisin häviöin: jokaisella kierroksella katoaa vain noin yksi miljoonasosa valosta. Käytännössä valo voi jatkaa kiertämistä kiekon sisällä miljoonia kertoja ennen kuin se hiipuu merkittävästi.

“Suorituskyky on tuhatkertainen aiempiin vdW-resonaattorijärjestelmiin verrattuna, mikä merkitsee merkittävää läpimurtoa alalla”, toteaa professori Zhipei Sun.

Koska valo pysyy näissä rakenteissa poikkeuksellisen hyvin vangittuna, sen vuorovaikutus materiaalin kanssa on paljon voimakkaampaa. Tämä vahvistaa merkittävästi epälineaarisia optisia ilmiöitä, joissa valon väri eli taajuus muuttuu. Kun tutkijat testasivat taajuuden muuttamiseksi harmonisten kerrannaisten luomista, he havaitsivat tehokkuuden kasvaneen jopa 10 000-kertaiseksi aiempiin ennätyksiin verrattuna.

Yhdistämällä vdW-materiaalien luontaisesti vahvan epälineaarisuuden ja korkean optisen resonanssin työ ratkaisee yhden alan keskeisistä pullonkauloista. Tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia uudelleenkonfiguroitaville fotonisille piireille, kvanttivalon lähteille sekä erittäin herkille optisille sensoreille, jotka voidaan integroida suoraan sirulle. Laajemmin työ osoittaa, että aiemmin liian hauraina pidetyt materiaalit voidaan nyt valjastaa tehokkaiksi fotonisiksi komponenteiksi.