Yeni katmanlı malzeme: TeraHertz ışığı 200 kat sıkıştırıldı

Araştırmacılar, hafniyum dikalkojenit tabanlı katmanlı bir malzeme ile terahertz (THz) ışığın dalga boyunu 50 mikrondan 250 nanometrenin altına indirgedi. Çalışma; kızılötesi yayıcılar, THz optikler, güvenlik taraması ve çevresel algılamada ultra kompakt, enerji verimli cihazların önünü açıyor.

Vanderbilt Üniversitesi’nden Prof. Josh Caldwell ve Fritz Haber Enstitüsü’nden Alex Paarmann liderliğinde, TU Dresden’den Prof. Lukas M. Eng’in iş birliğiyle yürütülen çalışma, “Hafniyum dikalkojenitlerde Ultra-sınırlı Terahertz Fonon Polaritonları” başlığıyla Nature Materials’ta yayımlandı. Ekip, hafniyum + kükürt/selen­yum bileşenlerinden oluşan hafniyum dikalkojenür katmanlı kristallerde, kristal kafes titreşimleriyle fotonların birleşiminden doğan fonon polaritonlarını kullanarak THz ışığı nano ölçekte hapsetmeyi başardı.

DALGA BOYU SIKIŞTIRMA

Uzun dalga boyu nedeniyle minyatürleştirilmesi zor olan THz ışık, yeni malzemeyle 50 µm düzeyinden <250 nm boyuta sıkıştırıldı. Ekip, bu sıkıştırmanın minimum enerji kaybıyla elde edildiğini; böylece daha verimli THz rezonatörleri ve dalga kılavuzları için somut bir yol haritası çıktığını belirtiyor. Araştırma ekibi, 200+ kat sıkıştırmanın ölçeğini, “okyanus dalgalarını bir çay fincanına sığdırmaya” benzetildiğini aktarırken, bu düzeydeki hapsin THz aygıtlarını masaüstü ölçekte mümkün kılabileceğini vurguluyor.

YAKIN ALAN MİKROSKOPİ

Çalışmada, TU Dresden–HZDR iş birliğiyle FELBE Serbest Elektron Lazer tesisi üzerinde konumlandırılmış yakın alan optik mikroskopi uç istasyonu kullanıldı. On beş yıldır sürdürülen platform geliştirmesi sayesinde, ekip aşırı nanoskala görüntüleme ile polariton modlarını doğrudan gözleyerek ultra yüksek sıkıştırmayı doğruladı. Bu altyapı, THz’de alt kırınımsal çözünürlükte görüntüleme ve mod haritalamayı mümkün kıldı.

ENERJİ VERİMLİ CİHAZLAR

Bulgular; kızılötesi yayıcıların performans artışı, THz güvenlik ve çevresel sensörlerinin kompaktlaştırılması, uzaktan algılama ve gizli cisim tarama gibi alanlarda düşük kayıplı, küçük ayak izli çözümleri işaret ediyor. Ayrıca, söz konusu katmanlı kristallerin van der Waals heteroyapılarına entegre edilmesiyle, 2B malzeme tabanlı optoelektronik bileşenlerin THz bandında nanometre ölçeğinde entegre edilmesi mümkün olabilir.

TEMEL FİZİĞE AÇILAN KAPI

Ekip, hafniyum dikalkojenitlerin sadece mühendislik açısından değil; ultra güçlü hatta derin güçlü ışık–madde etkileşimi rejimlerine erişim bakımından da özgün bir platform sunduğunu değerlendiriyor. Bu bağlamda, yüksek verimli malzeme taramaları ile THz için daha da düşük kayıplı/uygun frekanslı adayların bulunabileceği; doğrusal olmayan optikler, nanoskobik fotonik devre tasarımları ve elektro-optik işlevlerin zenginleşeceği belirtiliyor.