نطاق الاتصالات البصرية، مرنان بصري فائق الرقة

نطاق الاتصالات البصرية، مرنان بصري فائق الرقة
يمكن للمرنانات الضوئية تحديد أطوال موجية محددة من موجات الضوء في مساحة محدودة، ولها تطبيقات مهمة في تفاعل الضوء والمادة،الاتصالات البصريةوالاستشعار البصري والتكامل البصري. يعتمد حجم الرنان بشكل أساسي على خصائص المادة وطول الموجة التشغيلية. على سبيل المثال، تتطلب الرنانات السيليكونية العاملة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة عادةً هياكل بصرية بمئات النانومترات فأكثر. في السنوات الأخيرة، حظيت الرنانات البصرية المستوية فائقة الرقة باهتمام كبير نظرًا لتطبيقاتها المحتملة في الألوان الهيكلية، والتصوير المجسم، وتنظيم مجال الضوء، والأجهزة البصرية الإلكترونية. وتُعد كيفية تقليل سمك الرنانات المستوية إحدى المشكلات الصعبة التي يواجهها الباحثون.
تختلف العوازل الطوبولوجية ثلاثية الأبعاد (مثل تيلوريد البزموت، وتيلوريد الأنتيمون، وسيلينيد البزموت، إلخ) عن مواد أشباه الموصلات التقليدية، وهي مواد معلوماتية جديدة تتميز بحالات سطحية معدنية وحالات عازلة محمية طوبولوجياً. وتحمي تناظرية انعكاس الزمن حالة السطح، ولا تتشتت إلكتروناتها بفعل الشوائب غير المغناطيسية، مما يُتيح تطبيقات مهمة في الحوسبة الكمومية منخفضة الطاقة وأجهزة الإلكترونيات الدورانية. وفي الوقت نفسه، تتميز العوازل الطوبولوجية بخصائص بصرية ممتازة، مثل معامل الانكسار العالي، والكثافة غير الخطية الكبيرة.بصريمعامل، نطاق طيف عمل واسع، قابلية الضبط، التكامل السهل، وما إلى ذلك، مما يوفر منصة جديدة لتحقيق تنظيم الضوء والأجهزة البصرية الإلكترونية.
اقترح فريق بحثي صيني طريقةً لتصنيع مرنانات بصرية فائقة الرقة باستخدام أغشية نانوية عازلة طوبولوجية من تيلوريد البزموت، تنمو على مساحة كبيرة. يُظهر التجويف البصري خصائص امتصاص رنين واضحة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. يتميز تيلوريد البزموت بمعامل انكسار عالٍ جدًا يتجاوز 6 في نطاق الاتصال البصري (أعلى من معامل الانكسار للمواد التقليدية ذات معامل الانكسار العالي مثل السيليكون والجرمانيوم)، مما يسمح بسمك التجويف البصري أن يصل إلى واحد على عشرين من طول موجة الرنين. في الوقت نفسه، يُرسب الرنان البصري على بلورة فوتونية أحادية البعد، ويُلاحظ تأثير شفافية جديد مُستحث كهرومغناطيسيًا في نطاق الاتصال البصري، والذي ينتج عن اقتران الرنان مع بلازمون تام وتداخله التدميري. تعتمد الاستجابة الطيفية لهذا التأثير على سماكة الرنان البصري، وهي مقاومة لتغير معامل الانكسار المحيط. يفتح هذا العمل طريقًا جديدًا لتحقيق تجويف بصري فائق الرقة وتنظيم طيف مادة العازل الطوبولوجي والأجهزة البصرية الإلكترونية.
كما هو موضح في الشكلين 1أ و1ب، يتكون الرنان البصري بشكل رئيسي من عازل طوبولوجي من تيلوريد البزموت وأغشية نانوية من الفضة. تتميز أغشية تيلوريد البزموت النانوية المُحضرة بالرش المغناطيسي بمساحة كبيرة وتسطح جيد. عندما يكون سمك أغشية تيلوريد البزموت والفضة 42 نانومتر و30 نانومتر على التوالي، يُظهر التجويف البصري امتصاصًا قويًا للرنين في نطاق 1100-1800 نانومتر (الشكل 1ج). عندما دمج الباحثون هذا التجويف البصري على بلورة فوتونية مصنوعة من طبقات متناوبة من Ta2O5 (182 نانومتر) وSiO2 (260 نانومتر) (الشكل 1هـ)، ظهر وادي امتصاص واضح (الشكل 1و) بالقرب من ذروة الامتصاص الرنيني الأصلية (~1550 نانومتر)، وهو ما يُشبه تأثير الشفافية المُستحث كهرومغناطيسيًا الناتج عن الأنظمة الذرية.

تم توصيف مادة تيلوريد البزموت باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ وتقنية الإهليلجي. يوضح الشكلان 2أ-2ج صورًا عالية الدقة للمجهر الإلكتروني النافذ وأنماط حيود إلكترونية مختارة لأغشية نانوية من تيلوريد البزموت. يتضح من الشكل أن أغشية نانوية من تيلوريد البزموت المُحضرة هي مواد متعددة البلورات، وأن اتجاه النمو الرئيسي هو مستوى البلورة (015). يوضح الشكلان 2د-2و معامل الانكسار المركب لتيلوريد البزموت المُقاس بجهاز الإهليلجي، وحالة السطح المُجهزة ومعامل الانكسار المركب للحالة. تُظهر النتائج أن معامل الانطفاء للحالة السطحية أكبر من معامل الانكسار في نطاق 230-1930 نانومتر، مما يُظهر خصائص معدنية. يزيد معامل الانكسار للجسم عن 6 عندما يكون الطول الموجي أكبر من 1385 نانومتر، وهو أعلى بكثير من معامل الانكسار للسيليكون والجرمانيوم وغيرهما من المواد التقليدية ذات معامل الانكسار العالي في هذا النطاق، مما يُرسي أساسًا لإعداد مرنانات بصرية فائقة الرقة. ويشير الباحثون إلى أن هذا هو أول إنجاز مُعلن لتجويف بصري مستوٍ عازل طوبولوجي بسُمك عشرات النانومترات فقط في نطاق الاتصال البصري. بعد ذلك، تم قياس طيف الامتصاص وطول موجة الرنين للتجويف البصري فائق الرقة باستخدام سُمك تيلوريد البزموت. وأخيرًا، تم دراسة تأثير سُمك غشاء الفضة على أطياف الشفافية المُستحثة كهرومغناطيسيًا في هياكل البلورات الفوتونية/التجويف النانوي لتيلوريد البزموت.

من خلال تحضير أغشية رقيقة مسطحة واسعة المساحة من عوازل طوبولوجية من تيلوريد البزموت، والاستفادة من معامل الانكسار العالي جدًا لمواد تيلوريد البزموت في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، يتم الحصول على تجويف بصري مستوٍ بسُمك عشرات النانومترات فقط. يُحقق هذا التجويف البصري فائق الرقة امتصاصًا فعالًا للضوء الرنيني في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، وله تطبيقات مهمة في تطوير الأجهزة الإلكترونية البصرية في نطاق الاتصالات البصرية. يتناسب سمك تجويف تيلوريد البزموت البصري خطيًا مع طول الموجة الرنانة، وهو أصغر من سمك تجويف السيليكون والجرمانيوم البصري المماثل. في الوقت نفسه، يُدمج تجويف تيلوريد البزموت البصري مع البلورة الفوتونية لتحقيق تأثير بصري شاذ يُشبه الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا للنظام الذري، مما يوفر طريقة جديدة لتنظيم طيف البنية الدقيقة. تلعب هذه الدراسة دورًا بارزًا في تعزيز أبحاث مواد العوازل الطوبولوجية في تنظيم الضوء والأجهزة الوظيفية البصرية.