Kristal-lamelar dua dimensi yang tersusun dari lapisan tipis timbal iodida (PbI2) dapat digunakan untuk memproduksi sirkuit generasi baru yang menggunakan cahaya dan getaran mekanis (bukan elektron) untuk mengirimkan informasi dalam rentang frekuensi terahertz.
Para peneliti di Pusat Penelitian Energi dan Material Brasil (CNPEM), bekerja sama dengan rekan-rekan dari Universitas Lille (Prancis) dan lembaga internasional lainnya, telah mempelajari teknologi ini dan mempublikasikan temuan mereka diKomunikasi Alam.
Pita terahertz berkaitan dengan wilayah-energi rendah pada spektrum elektromagnetik yang terletak di antara inframerah dan gelombang mikro. Meskipun demikian, hal ini dianggap penting untuk mengembangkan-teknologi komunikasi berkecepatan tinggi.
"Saat ini, Wi-Fi dan 5G beroperasi pada frekuensi beberapa gigahertz (GHz, 109hertz). Namun ada minat untuk beralih ke ratusan gigahertz, atau bahkan terahertz (1012hertz), karena semakin tinggi frekuensinya, semakin besar pula bandwidth dan kapasitas transmisi datanya," kata Raul de Oliveira Freitas, kepala garis pancaran Imbuia di Brazil Synchrotron Light Laboratory (LNLS-CNPEM) dan koordinator penelitian.
Studi ini menyelidiki cara menghasilkan{0}}kristal berlapis berkualitas tinggi yang mampu bertindak sebagai pandu gelombang radiasi dalam rentang frekuensi ini menggunakan timbal iodida, bahan yang murah.
Platform ini dapat berfungsi sebagai resonator, yang membatasi cahaya dan memilih frekuensi tertentu dengan memperkuat mode osilasi tertentu. Ia juga bisa berfungsi sebagai pemecah berkas, yang membagi berkas cahaya menjadi dua jalur atau lebih untuk memungkinkan sinyal optik didistribusikan, atau sebagai modulator, yang mengubah sifat cahaya, seperti intensitas, fase, atau frekuensi, untuk menyandikan informasi.
Aspek paling inovatif dari pekerjaan ini adalah kemampuan untuk membatasi cahaya dalam volume yang jauh lebih kecil dari panjang gelombangnya.
“Dalam kisaran terahertz, cahaya memiliki panjang gelombang ratusan mikrometer. Apa yang kami lakukan adalah membatasi cahaya ini dalam wilayah submikrometer,” jelas Freitas.
Hal ini dimungkinkan oleh pembentukan fonon-polariton, yang merupakan kuasipartikel hibrid yang menggabungkan getaran atom dalam kisi kristal (fonon) dengan cahaya.
“Seolah-olah fonon diselimuti cahaya, membentuk kuasipartikel dengan sifat unik. Karakteristik propagasi dan interaksi dengan materi kuasipartikel ini berbeda baik dari cahaya terisolasi maupun fonon terisolasi,” komentar peneliti.
Pengurungan cahaya yang ekstrim melibatkan pengoperasian melampaui batas difraksi, yang membatasi resolusi sistem optik konvensional.
“Dalam optik klasik, tidak mungkin mengamati atau memanipulasi struktur yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Dengan polariton, kami telah berhasil mengatasi batas tersebut,” kata Freitas.
Untuk mencapai hal ini, para peneliti menggunakan mikroskop pemindaian optik medan dekat-tipe hamburan (s-SNOM), sebuah teknik yang menggunakan ujung logam berskala nano untuk mengompresi medan elektromagnetik secara ekstrem.
“Ujungnya bertindak sebagai antena dan menciptakan hotspot medan listrik dengan dimensi puluhan nanometer, terlepas dari panjang gelombang aslinya. Hal ini memungkinkan pengurangan drastis dalam skala spasial cahaya,” kata Freitas.
"Selanjutnya, kerapatan medan listrik di probe s-SNOM mencapai 105kali lebih tinggi dibandingkan gelombang bebas, yang menjelaskan keunggulan teknik penelitian nanofotonik. Kami mampu membatasi gelombang 200 mikrometer ke dalam volume yang lebih kecil dari 50 nanometer.”
Temuan penting lainnya dari penelitian ini adalah faktor kualitas tinggi fonon-polariton di PbI2. Faktor kualitas adalah ukuran berapa lama osilasi berlangsung sebelum menghilang.
“Semakin lama sistem berosilasi, maka faktor kualitasnya semakin tinggi. PbI2kinerjanya sebanding dengan boron nitrida heksagonal (hBN), yang merupakan bahan referensi dalam rentang inframerah,” kata Freitas.
Pengganti yang sederhana dan berkelanjutan
Tidak seperti timbal iodida, boron nitrida heksagonal (hBN) adalah bahan yang sangat sulit untuk disintesis, memerlukan kondisi tekanan dan suhu yang ekstrim. Bahkan setelah lebih dari dua dekade melakukan penelitian, hanya sedikit kelompok di seluruh dunia yang mampu memproduksi bahan ini dengan kualitas tinggi. Selain itu, propertinya membuatnya cocok untuk-rentang inframerah menengah namun tidak untuk rentang terahertz.
Sebaliknya, timbal iodida memiliki dua prekursor alami yang murah: yodium dan timbal. Itu juga dapat dikristalisasi dengan cara yang sangat sederhana.
"Cukup larutkan garam dalam air hingga diperoleh larutan lewat jenuh dan panaskan hingga sekitar 80 derajat C-sesuatu yang dapat dilakukan di kompor rumah tangga. Selama pendinginan, bahan tersebut mengkristal, membentuk struktur yang dapat dikumpulkan," kata peneliti.
Kemampuan memanipulasi cahaya pada skala nano membuka jalan bagi sirkuit fotonik terintegrasi yang mampu menggantikan atau melengkapi sirkuit elektronik.
“Saat ini, informasi ditransmisikan di dalam perangkat melalui elektron. Penggunaan cahaya dapat meningkatkan kecepatan secara drastis dan mengurangi kerugian. Hal ini serupa dengan apa yang terjadi di bidang telekomunikasi,” kata Freitas.
“Sebelumnya, kita menggunakan kabel listrik; sekarang, kita menggunakan serat optik, yang memungkinkan kecepatan yang jauh lebih tinggi. Prinsip yang sama dapat diterapkan di dalam chip. Dan, selain kecepatan yang lebih tinggi, terdapat penghematan energi: kehilangan cahaya jauh lebih sedikit dibandingkan arus listrik. Hal ini dapat menghasilkan solusi yang lebih efisien dan berkelanjutan.”
