Onderzoekers vinden materiaal ultragevoelig voor licht voor gebruik in optische computers

ITMO-onderzoekers hebben een materiaal ontdekt dat ultragevoelig is voor licht. Bovendien waren ze in staat om een ​​parameter te identificeren die zal helpen bij het vinden van andere structuren met hoge brekingscoëfficiënten. Deze ontdekking brengt ons een stap dichter bij de ontwikkeling van compacte en efficiënte elementen voor optische computers – lasers, chips en sensoren. Het onderzoek is gepubliceerd in Nanofotonica.

Elk jaar is er een groeiende vraag naar krachtigere en geavanceerde computers. Het probleem met conventionele zijn echter de elektronen die er een grote rol in spelen. In elke structuur waar een elektrische stroom doorheen loopt, bestaat het risico van oververhitting, wat fundamentele beperkingen oplegt aan de minimale grootte van rekenelementen. Een oplossing voor dit probleem ligt in optische computers die informatie verwerken die wordt verzonden door de beweging van fotonen die niet opwarmen, in tegenstelling tot elektronen.

“We zullen binnenkort de limiet bereiken als een verdere modernisering van op elektronen gebaseerde machines niet de nodige efficiëntieverhoging mogelijk maakt. Om optische computers te gaan gebruiken, moeten we chips en lasers van vergelijkbare grootte maken. We hebben materialen nodig met een hoge brekingscoëfficiënt. om optische elementen op nanoschaal te ontwikkelen. De brekingscoëfficiënt vertelt ons hoe goed een structuur reageert op licht. Als de interactie met licht slecht is, zal het apparaat dienovereenkomstig werken ”, legt Anton Shubnic uit, een student aan de Faculteit Natuurkunde en Techniek van ITMO. .

Er zijn niet veel materialen die erg gevoelig zijn voor licht. Een daarvan is silicium (Si), met een brekingscoëfficiënt van 4. Er zijn geen materialen bekend met een hogere brekingscoëfficiënt in het zichtbare bereik. Bovendien geven de onderzoekers toe dat het niet helemaal duidelijk is waar je ze kunt zoeken. Na uitgebreide wiskundige berekeningen waren natuurkundigen van de ITMO University in staat om een ​​parameter te identificeren die kon aangeven hoe snel het licht door een halfgeleider zou gaan vóór fysieke experimenten of complexe rekenmodellering. Deze parameter hangt af van de elektronische eigenschappen van een materiaal: de bandafstand en de effectieve massa van een elektron.

“We hebben onze aandacht gericht op halfgeleiders. Deze materialen hebben bandopeningen, die voor de meeste bekend zijn en vaak worden gebruikt. Bij optica bepaalt de bandafstand de maximale golflengte waarbij een materiaal transparant blijft. De tweede parameter is de effectieve massa van het elektron. Wanneer In wisselwerking met andere deeltjes in een materiaal, zouden elektronen fungeren als deeltjes met een andere massa dan de massa die ze oorspronkelijk hebben, ”legt Ivan Iorsh uit, hoofd van het ITMO University International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems.

De band gap is een energiebereik dat elektronen niet kunnen hebben in een bepaald materiaal. Als de energie van een foton kleiner is dan de bandafstand, kan het licht zich in het materiaal verspreiden, en als de energie meer is, wordt het licht geabsorbeerd. Bij optica bepaalt de band gap de maximale golflengte waarbij een materiaal transparant blijft. Deze parameter is bekend van veel materialen en wordt actief gebruikt. De tweede parameter is de effectieve massa van het elektron. Bij interactie met andere deeltjes in een materiaal, zouden elektronen zich gedragen alsof ze een andere massa hebben dan de massa die ze oorspronkelijk hebben. En deze nieuwe massa staat bekend als effectieve massa.

Het theoretische model toonde aan dat hoe hoger de verhouding tussen deze twee parameters is, hoe hoger de brekingscoëfficiënt zou moeten zijn. Eerst testten de onderzoekers hun hypothese op bekende materialen zoals silicium en wendden zich vervolgens tot de minder bestudeerde materialen. Als resultaat ontdekten ze rheniumdiselenide (ReSe₂), een veelbelovend materiaal voor optische elementen. Het bleek dat ReSe₂ heeft een brekingscoëfficiënt van 6,5 tot 7 in het zichtbare bereik, wat aanzienlijk hoger is dan die van silicium.

Nu zijn de onderzoekers van plan een wereldwijde zoektocht te starten in open databases met elektronische eigenschappen van materialen om andere stoffen met een hoge brekingscoëfficiënt te vinden, die voorheen genegeerd werden door optica-specialisten.