Новый материал сжимает терагерцовый свет до наномасштаба

Настраиваемый ЛСЭ генерирует узкополосное терагерцовое излучение, которое фокусируется на кончике зонда s-SNOM и обратно рассеивается в фотопроводящий детектор. Врезка: терагерцовый свет рассеивается на краю хлопья HfDC, запуская фононные поляритоны, которые затем выводятся в свободное пространство кончиком зонда s-SNOM. Также показана слоистая кристаллическая структура HfSe₂ со связями Ван-дер-Ваальса. Автор: Райан Ковальски и Никлас Мюллер

Новое исследование успешно продемонстрировало ограничение терагерцового (ТГц) света до наномасштабных размеров с использованием нового типа слоистого материала. Это может привести к улучшению оптоэлектронных устройств, таких как инфракрасные излучатели, используемые в пультах дистанционного управления и приборах ночного видения, а также терагерцовой оптики, востребованной для физической безопасности и экологического мониторинга.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, провела группа учёных под руководством Джоша Колдуэлла из Университета Вандербильта и Алекса Паарманна из Института Фрица Хабера в сотрудничестве с профессором Лукасом М. Энгом из Дрезденского технического университета.

Хотя терагерцовая технология обещает высокоскоростную обработку данных, её интеграция в компактные устройства была сложной задачей из-за большой длины волны. Традиционные материалы не могли эффективно ограничивать ТГц-свет, что ограничивало потенциал миниатюризации.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа использовала дихалькогениды гафния — слоистый материал, состоящий из гафния и халькогеновых элементов, таких как сера или селен. Используя фононные поляритоны (квазичастицы, возникающие при взаимодействии фотонов с колебаниями кристаллической решётки), им удалось достичь экстремального ограничения ТГц-света, сжав ТГц-волны длиной более 50 микрон до размеров менее 250 нанометров. Это было достигнуто с минимальными потерями энергии, что открывает путь к созданию более энергоэффективных ТГц-устройств.

«Наш сотрудник Артём Мищенко провёл аналогию: более чем 200-кратное сжатие световых волн подобно тому, как взять океанские волны и ограничить их пространством чайной чашки», — отметил Колдуэлл.

Результаты могут привести к разработке ультракомпактных ТГц-резонаторов и волноводов, необходимых для применения в экологическом мониторинге и системах безопасности. Интеграция этих материалов в гетероструктуры Ван-дер-Ваальса может further расширить возможности исследований 2D-материалов, предлагая новые возможности для наноразмерной оптоэлектронной интеграции.

«Наша работа с дихалькогенидами гафния показывает, как мы можем раздвигать границы терагерцовой технологии, потенциально преобразуя подход к оптоэлектронной интеграции», — сказал Паарманн.