Optinė ryšio juosta, itin plonas optinis rezonatorius
Optiniai rezonatoriai gali lokalizuoti konkrečius šviesos bangų ilgius ribotoje erdvėje ir turi svarbių pritaikymų šviesos ir materijos sąveikoje,optinis ryšys, optinis jutimas ir optinė integracija. Rezonatoriaus dydis daugiausia priklauso nuo medžiagos savybių ir veikimo bangos ilgio, pavyzdžiui, silicio rezonatoriams, veikiantiems artimojoje infraraudonųjų spindulių juostoje, paprastai reikalingos šimtų nanometrų ir didesnės optinės struktūros. Pastaraisiais metais itin ploni plokštuminiai optiniai rezonatoriai sulaukė daug dėmesio dėl jų galimo pritaikymo struktūrinėse spalvose, holografiniame vaizdavime, šviesos lauko reguliavime ir optoelektroniniuose įrenginiuose. Kaip sumažinti plokštuminių rezonatorių storį yra viena iš sudėtingiausių problemų, su kuria susiduria tyrėjai.
Skirtingai nuo tradicinių puslaidininkinių medžiagų, 3D topologiniai izoliatoriai (pvz., bismuto telūridas, antimono telūridas, bismuto selenidas ir kt.) yra naujos informacinės medžiagos su topologiškai apsaugotomis metalo paviršiaus būsenomis ir izoliatoriaus būsenomis. Paviršiaus būseną apsaugo laiko inversijos simetrija, o jos elektronų neišsklaido nemagnetinės priemaišos, todėl jos turi svarbių pritaikymo perspektyvų mažos galios kvantiniuose skaičiavimuose ir spintroniniuose įrenginiuose. Tuo pačiu metu topologinės izoliacinės medžiagos taip pat pasižymi puikiomis optinėmis savybėmis, tokiomis kaip didelis lūžio rodiklis, didelis netiesinis kintamumas ir kt.optiniskoeficientas, platus darbinis spektro diapazonas, pritaikomumas, lengva integracija ir kt., o tai suteikia naują platformą šviesos reguliavimui iroptoelektroniniai įtaisai.
Kinijos mokslininkų komanda pasiūlė itin plonų optinių rezonatorių gamybos metodą, naudojant didelio ploto augančius bismuto telūrido topologinio izoliatoriaus nanoplėveles. Optinė ertmė pasižymi akivaizdžiomis rezonanso sugerties savybėmis artimojoje infraraudonųjų spindulių juostoje. Bismuto telūridas turi labai aukštą lūžio rodiklį – daugiau nei 6 optinio ryšio juostoje (didesnį nei tradicinių didelio lūžio rodiklio medžiagų, tokių kaip silicis ir germanis, lūžio rodiklis), todėl optinės ertmės storis gali siekti vieną dvidešimtąją rezonanso bangos ilgio. Tuo pačiu metu optinis rezonatorius nusodinamas ant vienmačio fotoninio kristalo, ir optinio ryšio juostoje stebimas naujas elektromagnetiniu būdu indukuotas skaidrumo efektas, atsirandantis dėl rezonatoriaus sąveikos su Tamo plazmonu ir jo destruktyvios interferencijos. Šio efekto spektrinis atsakas priklauso nuo optinio rezonatoriaus storio ir yra atsparus aplinkos lūžio rodiklio pokyčiams. Šis darbas atveria naują būdą itin plonų optinių ertmių, topologinio izoliatoriaus medžiagos spektro reguliavimo ir optoelektroninių įtaisų kūrimui.
Kaip parodyta 1a ir 1b paveiksluose, optinis rezonatorius daugiausia sudarytas iš bismuto telūrido topologinio izoliatoriaus ir sidabro nanoplėvelių. Magnetroninio dulkinimo būdu pagamintos bismuto telūrido nanoplėvelės pasižymi dideliu plotu ir geru lygumu. Kai bismuto telūrido ir sidabro plėvelių storis yra atitinkamai 42 nm ir 30 nm, optinė ertmė pasižymi stipria rezonansine sugertimi 1100–1800 nm juostoje (1c pav.). Kai tyrėjai integravo šią optinę ertmę į fotoninį kristalą, pagamintą iš pakaitomis išsidėsčiusių Ta2O5 (182 nm) ir SiO2 (260 nm) sluoksnių (1e pav.), šalia pradinės rezonansinės sugerties smailės (~1550 nm) atsirado aiškus sugerties slėnis (1f pav.), kuris yra panašus į elektromagnetiniu būdu sukeltą skaidrumo efektą, kurį sukuria atominės sistemos.
Bismuto telūrido medžiaga buvo apibūdinta transmisinės elektroninės mikroskopijos ir elipsometrijos metodais. 2a–2c paveiksluose parodytos bizmuto telūrido nanoplėvelių transmisinės elektroninės mikroskopijos nuotraukos (didelės skiriamosios gebos vaizdai) ir atrinkti elektronų difrakcijos modeliai. Iš paveikslo matyti, kad paruoštos bismuto telūrido nanoplėvelės yra polikristalinės medžiagos, o pagrindinė augimo orientacija yra (015) kristalo plokštuma. 2d–2f paveiksluose parodytas elipsometru išmatuotas bismuto telūrido kompleksinis lūžio rodiklis ir pritaikytas paviršiaus būsenos bei kompleksinio lūžio rodiklio dydis. Rezultatai rodo, kad paviršiaus būsenos gesinimo koeficientas yra didesnis nei lūžio rodiklis 230–1930 nm diapazone, o tai rodo metalo savybes. Kūno lūžio rodiklis yra didesnis nei 6, kai bangos ilgis yra didesnis nei 1385 nm, o tai yra daug didesnis nei silicio, germanio ir kitų tradicinių didelio lūžio rodiklio medžiagų šioje juostoje, o tai sudaro pagrindą itin plonų optinių rezonatorių gamybai. Tyrėjai atkreipia dėmesį, kad tai pirmasis aprašytas topologinio izoliatoriaus plokštuminės optinės ertmės, kurios storis optinio ryšio juostoje yra vos dešimtys nanometrų, realizavimas. Vėliau, naudojant bismuto telūrido storį, buvo išmatuotas itin plonos optinės ertmės sugerties spektras ir rezonanso bangos ilgis. Galiausiai tiriamas sidabro plėvelės storio poveikis elektromagnetiškai indukuotų skaidrumo spektrams bismuto telūrido nanoertmės/fotoninių kristalų struktūrose.
Paruošus didelio ploto plokščias plonas bismuto telūrido topologinių izoliatorių plėveles ir pasinaudojant itin aukštu bismuto telūrido medžiagų lūžio rodikliu artimojoje infraraudonojoje spektro juostoje, gaunama plokštuminė optinė ertmė, kurios storis siekia vos kelias dešimtis nanometrų. Itin plona optinė ertmė gali užtikrinti efektyvią rezonansinę šviesos absorbciją artimojoje infraraudonojoje spektro juostoje ir yra svarbi pritaikomybė kuriant optoelektroninius prietaisus optinio ryšio srityje. Bismuto telūrido optinės ertmės storis yra tiesinis rezonansinio bangos ilgio atžvilgiu ir yra mažesnis nei panašių silicio ir germanio optinių ertmių. Tuo pačiu metu bismuto telūrido optinė ertmė yra integruota su fotoniniu kristalu, kad būtų pasiektas anomalinis optinis efektas, panašus į elektromagnetiniu būdu indukuotą atominės sistemos skaidrumą, o tai suteikia naują mikrostruktūros spektro reguliavimo metodą. Šis tyrimas atlieka tam tikrą vaidmenį skatinant topologinių izoliacinių medžiagų tyrimus šviesos reguliavimo ir optiniuose funkciniuose įrenginiuose.
Įrašo laikas: 2024 m. rugsėjo 30 d.