نطاق الاتصالات الضوئية، رنان بصري فائق الرقة

نطاق الاتصالات الضوئية، رنان بصري فائق الرقة
تستطيع الرنانات الضوئية تحديد أطوال موجية معينة من الموجات الضوئية في حيز محدود، ولها تطبيقات مهمة في تفاعل الضوء مع المادة.الاتصالات الضوئيةتُستخدم الرنانات الضوئية في مجالات الاستشعار البصري والتكامل البصري. ويعتمد حجمها بشكل أساسي على خصائص المادة وطول الموجة التشغيلية؛ فعلى سبيل المثال، تتطلب رنانات السيليكون العاملة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة عادةً هياكل بصرية بسمك مئات النانومترات وما فوق. وفي السنوات الأخيرة، حظيت الرنانات الضوئية المستوية فائقة الرقة باهتمام كبير نظرًا لتطبيقاتها المحتملة في التلوين الهيكلي، والتصوير المجسم، وتنظيم المجال الضوئي، والأجهزة الإلكترونية الضوئية. ويُعدّ تقليل سُمك هذه الرنانات أحد التحديات الصعبة التي تواجه الباحثين.
تختلف العوازل الطوبولوجية ثلاثية الأبعاد (مثل تيلوريد البزموت، وتيلوريد الأنتيمون، وسيلينيد البزموت، وغيرها) عن مواد أشباه الموصلات التقليدية، فهي مواد معلوماتية جديدة تتميز بحالات سطحية معدنية وحالات عازلة محمية طوبولوجيًا. تُحمي الحالة السطحية بتناظر الانعكاس الزمني، ولا تتشتت إلكتروناتها بفعل الشوائب غير المغناطيسية، مما يفتح آفاقًا تطبيقية واعدة في الحوسبة الكمومية منخفضة الطاقة وأجهزة الإلكترونيات الدورانية. في الوقت نفسه، تُظهر مواد العوازل الطوبولوجية خصائص بصرية ممتازة، مثل معامل انكسار عالٍ، ومعامل لا خطي كبير.بصريمعامل، ونطاق طيفي واسع، وقابلية للضبط، وسهولة التكامل، وما إلى ذلك، مما يوفر منصة جديدة لتحقيق تنظيم الضوء والأجهزة الكهروضوئية.
اقترح فريق بحثي في ​​الصين طريقةً لتصنيع رنانات بصرية فائقة الرقة باستخدام أغشية نانوية من عازل طوبولوجي من تيلوريد البزموت، تنمو على مساحة واسعة. يُظهر التجويف البصري خصائص امتصاص رنيني واضحة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. يتميز تيلوريد البزموت بمعامل انكسار عالٍ جدًا يتجاوز 6 في نطاق الاتصالات البصرية (أعلى من معامل انكسار المواد التقليدية ذات معامل الانكسار العالي مثل السيليكون والجرمانيوم)، مما يسمح بوصول سُمك التجويف البصري إلى عُشر طول موجة الرنين. في الوقت نفسه، يُرسب الرنان البصري على بلورة ضوئية أحادية البعد، ويُلاحظ تأثير شفافية كهرومغناطيسية مُستحثة جديد في نطاق الاتصالات البصرية، ويعود ذلك إلى اقتران الرنان مع بلازمون تام وتداخله الهدام. يعتمد الاستجابة الطيفية لهذا التأثير على سُمك الرنان البصري، وهو مقاوم لتغير معامل الانكسار المحيط. يفتح هذا العمل طريقًا جديدًا لتحقيق تجويف بصري فائق الرقة، وتنظيم طيف مادة العازل الطوبولوجي، والأجهزة الكهروضوئية.
كما هو موضح في الشكلين 1أ و1ب، يتكون الرنان البصري بشكل أساسي من عازل طوبولوجي من تيلوريد البزموت وأغشية نانوية من الفضة. تتميز أغشية تيلوريد البزموت النانوية، المُحضّرة بتقنية الترسيب المغناطيسي، بمساحة سطحية كبيرة وسطح مستوٍ. عندما يكون سمك أغشية تيلوريد البزموت 42 نانومترًا، وسمك أغشية الفضة 30 نانومترًا، يُظهر التجويف البصري امتصاصًا رنينيًا قويًا في نطاق 1100-1800 نانومتر (الشكل 1ج). عند دمج هذا التجويف البصري على بلورة ضوئية مصنوعة من طبقات متناوبة من Ta2O5 (182 نانومترًا) وSiO2 (260 نانومترًا) (الشكل 1هـ)، ظهر وادٍ امتصاص واضح (الشكل 1و) بالقرب من ذروة الامتصاص الرنيني الأصلية (~1550 نانومترًا)، وهو ما يُشابه تأثير الشفافية المُستحثة كهرومغناطيسيًا الناتج عن الأنظمة الذرية.

تم توصيف مادة تيلوريد البزموت باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ وقياس الاستقطاب الإهليلجي. تُظهر الأشكال 2أ-2ج صورًا مجهرية إلكترونية نافذة (صور عالية الدقة) وأنماط حيود إلكتروني مختارة لأغشية نانوية من تيلوريد البزموت. يتضح من الشكل أن الأغشية النانوية المُحضّرة من تيلوريد البزموت هي مواد متعددة البلورات، وأن اتجاه النمو الرئيسي هو مستوى البلورة (015). تُظهر الأشكال 2د-2و معامل الانكسار المركب لتيلوريد البزموت المقاس بواسطة مقياس الاستقطاب الإهليلجي، بالإضافة إلى معامل الانكسار المركب لحالة السطح وحالة السطح المُطابقة. تُشير النتائج إلى أن معامل امتصاص حالة السطح أكبر من معامل الانكسار في نطاق 230-1930 نانومتر، مما يُظهر خصائص شبيهة بالمعادن. يبلغ معامل انكسار الجسم أكثر من 6 عندما يتجاوز الطول الموجي 1385 نانومتر، وهو أعلى بكثير من معامل انكسار السيليكون والجرمانيوم وغيرهما من المواد التقليدية ذات معامل الانكسار العالي في هذا النطاق، مما يمهد الطريق لتحضير رنانات بصرية فائقة الرقة. ويشير الباحثون إلى أن هذا هو أول تحقيق مُعلن لتجويف بصري مستوٍ عازل طوبولوجي بسماكة لا تتجاوز عشرات النانومترات في نطاق الاتصالات البصرية. بعد ذلك، تم قياس طيف الامتصاص وطول موجة الرنين للتجويف البصري فائق الرقة مع سماكة مختلفة من تيلوريد البزموت. وأخيرًا، تم دراسة تأثير سماكة طبقة الفضة على أطياف الشفافية المُستحثة كهرومغناطيسيًا في هياكل تجاويف نانوية/بلورات ضوئية من تيلوريد البزموت.

من خلال تحضير أغشية رقيقة مسطحة واسعة المساحة من عوازل تيلوريد البزموت الطوبولوجية، والاستفادة من معامل الانكسار العالي للغاية لمواد تيلوريد البزموت في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، تم الحصول على تجويف بصري مستوٍ بسماكة لا تتجاوز عشرات النانومترات. يُمكّن هذا التجويف البصري فائق الرقة من تحقيق امتصاص ضوئي رنيني فعال في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، وله قيمة تطبيقية هامة في تطوير الأجهزة الكهروضوئية في نطاق الاتصالات الضوئية. تتناسب سماكة تجويف تيلوريد البزموت البصري خطيًا مع الطول الموجي الرنيني، وهي أقل من سماكة تجاويف السيليكون والجرمانيوم البصرية المماثلة. في الوقت نفسه، تم دمج تجويف تيلوريد البزموت البصري مع البلورة الضوئية لتحقيق تأثير بصري شاذ مشابه للشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا للنظام الذري، مما يوفر طريقة جديدة لتنظيم طيف البنية المجهرية. تُسهم هذه الدراسة بدورٍ هام في تعزيز أبحاث مواد العوازل الطوبولوجية في تنظيم الضوء والأجهزة البصرية الوظيفية.