באמצעות המכשיר של SLAC לעקיפה מהירה של אלקטרונים (MeV-UED), אחד הכלים המובילים בעולם של המעבדה למדע מהיר במיוחד, גילו חוקרים כיצד חומר דק במיוחד יכול לקטב אור מעגלי. תגלית זו מגדירה גישה מבטיחה לתמרן אור עבור יישומים במכשירים אופטו-אלקטרוניים. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרים במעבדת האצה הלאומית של SLAC גילו התנהגויות חדשות בחומר דק במיוחד שעשוי לחולל מהפכה במכשירים אופטואלקטרוניים.
באמצעות מצלמת אלקטרונים במהירות גבוהה, הם צפו כיצד טונגסטן דיטלוריד מקטב אור מתחת terahertz קרינה, מכשירים בעלי פוטנציאל שיפור המשמשים בנורות LED, הדמיה רפואית ועוד. עבודה פורצת דרך זו עשויה להוביל לפיתוח של מכשירים אופטו-אלקטרוניים קטנים יותר ורב-תכליתיים באמצעות הערמה של חומרים דו-ממדיים.
תוך כדי צילום תמונות עם "מצלמת האלקטרונים" המהירה במעבדת המאיץ הלאומית של משרד האנרגיה SLAC, גילו חוקרים התנהגות חדשה בחומר דק במיוחד המציע גישה מבטיחה למניפולציה של אור שתהיה שימושית עבור מכשירים המזהים, שולטים או פולטים אור, הידועים ביחד כמכשירים אופטו-אלקטרוניים, וחוקרים כיצד האור מקוטב בתוך חומר. מכשירים אופטואלקטרוניים משמשים בטכנולוגיות רבות הנוגעות בחיי היומיום שלנו, כולל דיודות פולטות אור (LED), סיבים אופטיים והדמיה רפואית.
כפי שדווח בכתב העת ננו אותיותהצוות, בראשות SLAC ופרופסור סטנפורד אהרון לינדנברג, מצא שכאשר הוא מכוון בכיוון מסוים ונתון לקרינת טרה-הרץ ליניארית, סרט דק במיוחד של טונגסטן דיטלוריד, בעל תכונות רצויות לקיטוב אור המשמש במכשירים אופטיים, מקטב באופן מעגלי את אור נכנס.
תמונת מצב שצולמה על ידי מצלמת האלקטרונים המהירה של SLAC, מכשיר לדיפרקציה מהירה של אלקטרונים (MeV-UED), המראה עדות לקיטוב מעגלי של אור טרה-הרץ על ידי דגימה דקה במיוחד של דיטלוריד טונגסטן. קרדיט: Sie et al., Nano Letters, 8 במאי 2024
קרינת טרהרץ: מפתח לאלקטרוניקה אופטו מהדור הבא
קרינת טרה-הרץ נמצאת בין אזורי המיקרוגל והאינפרא-אדום בספקטרום האלקטרומגנטי ומאפשרת דרכים חדשות לאפיון ושליטה בתכונות החומרים. מדענים היו רוצים למצוא דרך לרתום את האור הזה לפיתוח מכשירים אופטואלקטרוניים עתידיים.
לכידת התנהגות של חומר תחת אור טרה-הרץ דורשת מכשיר מתקדם המסוגל להקליט את האינטראקציות במהירויות מהירות במיוחד, והמכשיר המוביל בעולם של SLAC לעקיפה אלקטרונית מהירה במיוחד (MeV-UED) במקור האור הקוהרנטי של Linac (LCLS) יכול לעשות בדיוק את זה. בעוד שה-MeV-UED משמש בדרך כלל כדי לדמיין את תנועת האטומים על ידי מדידת האופן שבו הם מפזרים אלקטרונים לאחר פגיעה בדגימה באמצעות אלומת אלקטרונים, העבודה החדשה הזו השתמשה בפולסי האלקטרונים של הפמטו-שנייה כדי להמחיש את השדות החשמליים והמגנטיים של פעימות הטרה-הרץ הנכנסות, מה שגרם לאלקטרונים להתנועע קדימה ואחורה. במחקר, קיטוב מעגלי צוין על ידי תמונות של האלקטרונים שהראו דפוס מעגלי ולא קו ישר.
איור זה מראה כיצד האלקטרונים נעו בתבנית מעגלית (מימין) לאחר שהחומר הדק (במרכז) נפגע בקרינת טרה-הרץ מקוטבת ליניארית (משמאל). קרדיט: Sie et al., Nano Letters, 8 במאי 2024
החומר הדק במיוחד היה בעובי של 50 ננומטר בלבד. "זה דק פי 1,000 עד 10,000 ממה שאנחנו צריכים בדרך כלל כדי לגרום לתגובה מסוג זה", אמר לינדנברג.
יישומים וחידושים עתידיים
החוקרים מתלהבים מהשימוש בחומרים הדקים האלה, הידועים כחומרים דו-ממדיים (2D), כדי להפוך מכשירים אופטו-אלקטרוניים לקטנים יותר ובעלי פונקציות רבות יותר. הם מדמיינים יצירת מכשירים משכבות של מבנים דו-ממדיים, כמו ערימת לגו, אמר לינדנברג. כל מבנה דו-ממדי יהיה מורכב מחומר אחר, מיושר במדויק כדי ליצור סוג מסוים של תגובה אופטית. ניתן לשלב את המבנים והפונקציונליות השונים הללו לכדי מכשירים קומפקטיים שיכולים למצוא יישומים פוטנציאליים – למשל, בהדמיה רפואית או סוגים אחרים של מכשירים אופטו-אלקטרוניים.
"עבודה זו מייצגת אלמנט נוסף בארגז הכלים שלנו למניפולציה של שדות אור טרה-הרץ, אשר בתורו יכול לאפשר דרכים חדשות לשלוט בחומרים ובמכשירים בדרכים מעניינות", אמר לינדנברג.
המחקר נתמך על ידי משרד המדע DOE והשתמש במשאבים של המרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה (NERSC). LCLS ו-NERSC הם מתקני משתמש של משרד DOE of Science.
