Optiline sideriba, üliõhuke optiline resonaator

Optiline sideriba, üliõhuke optiline resonaator
Optilised resonaatorid suudavad lokaliseerida valguslainete teatud lainepikkusi piiratud ruumis ja neil on olulised rakendused valguse ja aine vastastikmõjus,optiline side, optiline andur ja optiline integreerimine. Resonaatori suurus sõltub peamiselt materjali omadustest ja töölainepikkusest, näiteks lähiinfrapunakiirguse sagedusalas töötavad räniresonaatorid vajavad tavaliselt sadu nanomeetreid ja suuremaid optilisi struktuure. Viimastel aastatel on üliõhukesed tasapinnalised optilised resonaatorid pälvinud palju tähelepanu oma potentsiaalsete rakenduste tõttu struktuurvärvides, holograafilises pildistamises, valgusvälja reguleerimises ja optoelektroonikaseadmetes. Tasapinnaliste resonaatorite paksuse vähendamine on üks keerulisi probleeme, millega teadlased silmitsi seisavad.
Erinevalt traditsioonilistest pooljuhtmaterjalidest on 3D-topoloogilised isolaatorid (näiteks vismuttelluriid, antimontelluriid, vismutseleniid jne) uued infomaterjalid, millel on topoloogiliselt kaitstud metalli pinnaseisundid ja isolaatori seisundid. Pinnaseisund on kaitstud ajalise inversiooni sümmeetriaga ja selle elektronid ei ole hajutatud mittemagnetiliste lisandite poolt, millel on olulised rakendusvõimalused väikese võimsusega kvantarvutustes ja spintroonilistes seadmetes. Samal ajal on topoloogilistel isolaatormaterjalidel ka suurepärased optilised omadused, nagu kõrge murdumisnäitaja, suured mittelineaarsed omadused ja ...optilinekoefitsient, lai tööspektri ulatus, häälestatavus, lihtne integreerimine jne, mis pakub uut platvormi valguse reguleerimise jaoptoelektroonilised seadmed.
Hiina uurimisrühm on välja pakkunud meetodi üliõhukeste optiliste resonaatorite valmistamiseks, kasutades suurel pinnal kasvavaid vismuttelluriidi topoloogilise isolaatori nanofilme. Optiline õõnsus näitab ilmseid resonantsi neeldumisomadusi lähiinfrapunakiirguse piirkonnas. Vismuttelluriidil on optilise side sagedusalas väga kõrge murdumisnäitaja, üle 6 (kõrgem kui traditsiooniliste kõrge murdumisnäitajaga materjalide, näiteks räni ja germaaniumi murdumisnäitaja), nii et optilise õõnsuse paksus võib ulatuda resonantsi lainepikkuse kahekümnendikuni. Samal ajal sadestatakse optiline resonaator ühemõõtmelisele footonkristallile ja optilise side sagedusalas täheldatakse uudset elektromagnetiliselt indutseeritud läbipaistvuse efekti, mis on tingitud resonaatori sidestusest Tamm-plasmoniga ja selle destruktiivsest interferentsist. Selle efekti spektraalne reaktsioon sõltub optilise resonaatori paksusest ja on vastupidav ümbritseva murdumisnäitaja muutustele. See töö avab uue tee üliõhukeste optiliste õõnsuste, topoloogilise isolaatorimaterjali spektri reguleerimise ja optoelektrooniliste seadmete realiseerimiseks.
Nagu on näidatud joonistel 1a ja 1b, koosneb optiline resonaator peamiselt vismuttelluriidi topoloogilisest isolaatorist ja hõbenanokihist. Magnetronpihustamise teel valmistatud vismuttelluriidi nanokihid on suure pindalaga ja hea tasapinnaga. Kui vismuttelluriidi ja hõbenanokihi paksus on vastavalt 42 nm ja 30 nm, siis optiline õõnsus näitab tugevat resonantsi neeldumist lainepikkuste vahemikus 1100–1800 nm (joonis 1c). Kui teadlased integreerisid selle optilise õõnsuse footonkristalli külge, mis oli valmistatud Ta2O5 (182 nm) ja SiO2 (260 nm) kihtide vahelduvatest virnadest (joonis 1e), tekkis algse resonantse neeldumise piigi (~1550 nm) lähedale selge neeldumisorg (joonis 1f), mis sarnaneb aatomisüsteemide tekitatud elektromagnetiliselt indutseeritud läbipaistvusefektiga.

Vismuttelluriidi materjali iseloomustati transmissioon-elektronmikroskoopia ja ellipsomeetria abil. Joonistel 2a-2c on kujutatud vismuttelluriidi nanokilede transmissioon-elektronmikroskoobid (kõrgresolutsioonilised pildid) ja valitud elektrondifraktsioonimustrid. Jooniselt on näha, et valmistatud vismuttelluriidi nanokiled on polükristallilised materjalid ja peamine kasvuorientatsioon on (015) kristalli tasapind. Joonistel 2d-2f on näidatud vismuttelluriidi kompleksne murdumisnäitaja, mis on mõõdetud ellipsomeetriga, ning sobitatud pinnaseisundi ja oleku kompleksne murdumisnäitaja. Tulemused näitavad, et pinnaseisundi ekstinktsioonitegur on suurem kui murdumisnäitaja vahemikus 230–1930 nm, mis näitab metallilaadseid omadusi. Keha murdumisnäitaja on üle 6, kui lainepikkus on suurem kui 1385 nm, mis on palju kõrgem kui räni, germaaniumi ja teiste traditsiooniliste kõrge murdumisnäitajaga materjalide oma selles vahemikus, mis loob aluse üliõhukeste optiliste resonaatorite valmistamiseks. Teadlased toovad välja, et see on esimene teadaolev näide topoloogilise isolaatori tasapinnalise optilise õõnsuse teostusest, mille paksus optilise side sagedusalas on vaid kümneid nanomeetreid. Seejärel mõõdeti üliõhukese optilise õõnsuse neeldumisspektrit ja resonantslainepikkust vismuttelluriidi paksuse abil. Lõpuks uuritakse hõbekihi paksuse mõju elektromagnetiliselt indutseeritud läbipaistvusspektritele vismuttelluriidi nanoõõnsuste/footonkristallstruktuurides.

Valmistades vismuttelluriidi topoloogilistest isolaatoritest suure pindalaga lamedaid õhukesi kilesid ja kasutades ära vismuttelluriidi materjalide ülikõrget murdumisnäitajat lähiinfrapunakiirguses, saadakse tasapinnaline optiline õõnsus paksusega vaid kümneid nanomeetreid. Üliõhuke optiline õõnsus võimaldab saavutada efektiivset resonantset valguse neeldumist lähiinfrapunakiirguses ning sellel on oluline rakendusväärtus optoelektrooniliste seadmete arendamisel optilise side sagedusalas. Vismuttelluriidi optilise õõnsuse paksus on lineaarne resonantslainepikkusega ja väiksem kui sarnastel räni ja germaaniumi optilistel õõnsustel. Samal ajal on vismuttelluriidi optiline õõnsus integreeritud footonkristalliga, et saavutada anomaalne optiline efekt, mis sarnaneb aatomisüsteemi elektromagnetiliselt indutseeritud läbipaistvusele, mis pakub uut meetodit mikrostruktuuri spektri reguleerimiseks. See uuring mängib teatud rolli topoloogiliste isolaatormaterjalide uurimise edendamisel valguse reguleerimises ja optilistes funktsionaalsetes seadmetes.