Ống dẫn sóng Perovskite: Tinh thể mang tính cách mạng cho Photonic thế hệ tiếp theo
Bởi Đại học Warsaw
Ống dẫn sóng perovskite sáng tạo với hiệu ứng laser cạnh. Tín dụng: Tiến sĩ Mateusz Krol Đại học Warsaw và Khoa Vật lý tại Đại học Quốc gia Úc ở Canberra
Các nhà khoa học đã phát triển các tinh thể perovskite có thể cách mạng hóa các công nghệ quang học bằng cách tạo điều kiện cho các hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng trong các thiết bị cần thiết cho quá trình xử lý tín hiệu tiên tiến.
Các mạch photonic tích hợp hoạt động ở nhiệt độ phòng kết hợp với các hiệu ứng phi tuyến tính quang học có thể cách mạng hóa cả quá trình xử lý tín hiệu cổ điển và lượng tử. Các nhà khoa học từ Khoa Vật lý tại Đại học Warsaw, hợp tác* với các tổ chức khác từ Ba Lan cũng như Ý, Iceland và Úc, đã chứng minh việc tạo ra các tinh thể perovskite với các hình dạng được xác định trước có thể phục vụ trong photonic phi tuyến tính như ống dẫn sóng, bộ ghép, bộ chia và bộ điều biến.
Các kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí uy tín Nature Materials, mô tả quá trình chế tạo các cấu trúc sáng tạo này và hiệu ứng laser cạnh. Đặc biệt, hiệu ứng này có liên quan đến sự hình thành ngưng tụ của exciton-polariton, là các quasiparticle hoạt động một phần giống như ánh sáng và một phần giống như vật chất.
Khai thác Perovskite cho các ứng dụng quang học nâng cao
Giáo sư Barbara Piętka từ Khoa Vật lý tại Đại học Warsaw, một trong những người khởi xướng dự án và chịu trách nhiệm cho quá trình nghiên cứu, nhấn mạnh rằng "perovskite thể hiện tính linh hoạt tuyệt vời: từ các lớp đa tinh thể, tinh thể nano và vi tinh thể đến tinh thể khối. Chúng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ pin mặt trời đến laser.
"Một số, chẳng hạn như vật liệu CsPbBr3 (cesium-chì-bromide) mà chúng tôi sử dụng, cũng là chất bán dẫn lý tưởng cho các ứng dụng quang học do năng lượng liên kết exciton và cường độ dao động cao của chúng. Những hiệu ứng này cho phép tăng cường tương tác ánh sáng, giúp giảm đáng kể năng lượng cần thiết để khuếch đại ánh sáng phi tuyến tính."
Những cải tiến trong kỹ thuật tổng hợp tinh thể
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp tổng hợp có thể lặp lại và mở rộng quy mô để thu được các tinh thể perovskite có kích thước và hình dạng được xác định chính xác. Họ đã sử dụng phương pháp vi lưu, trong đó các tinh thể được nuôi cấy từ dung dịch trong khuôn polyme hẹp có thể in bất kỳ hình dạng nào từ khuôn. Một yếu tố chính là kiểm soát nồng độ dung dịch và nhiệt độ tăng trưởng trong khi vẫn duy trì bầu không khí chứa hơi dung môi bão hòa.
Phương pháp này, kết hợp với việc sử dụng các khuôn gali arsenide gần như mịn như nguyên tử được tạo ra bằng phương pháp quang khắc chùm electron và khắc plasma tại Mạng lưới nghiên cứu Łukasiewicz – Viện vi điện tử và quang tử dưới sự lãnh đạo của Anna Szerling, đã tạo ra các tinh thể đơn chất lượng cao. Theo cách này, các tinh thể CsPbBr3 có thể được tạo thành bất kỳ hình dạng nào với các góc đơn giản đến các đường cong mịn, đây thực sự là một thành tựu trong thế giới vật liệu tinh thể. Chúng có thể được chế tạo trên bất kỳ chất nền nào, tăng cường khả năng tương thích của chúng với các thiết bị quang tử hiện có.
Mateusz Kędziora, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Vật lý, Đại học Warsaw và là tác giả đầu tiên của bài báo đã phát triển các phương pháp tổng hợp tinh thể, cho biết thêm, "Những tinh thể này, do chất lượng cao của chúng, tạo thành các bộ cộng hưởng kiểu Fabry-Pérot trên thành của chúng, cho phép quan sát các hiệu ứng phi tuyến tính mạnh mà không cần gương Bragg bên ngoài", điều này mang lại hy vọng cho việc ứng dụng các vật liệu này trong các mạch quang tử tích hợp.
Những đột phá trong Laser phân cực và Hình thành ngưng tụ
Việc chứng minh laser phân cực từ các giao diện và góc của các sợi vi mô đánh dấu một bước đột phá khác.
"Bước sóng của ánh sáng phát ra bị thay đổi bởi các hiệu ứng của tương tác ánh sáng-vật chất mạnh, cho thấy rằng sự phát xạ là do sự hình thành ngưng tụ Bose-Einstein không cân bằng của exciton-polariton. Do đó, đây không phải là laser thông thường do hiệu ứng Purcell (liên kết yếu), mà là phát xạ từ ngưng tụ trong chế độ liên kết ánh sáng-vật chất mạnh", Barbara Piętka giải thích.
“Sự kết hợp cao giữa các tín hiệu khác nhau của ánh sáng phát ra từ các cạnh và góc, được xác nhận trong quang phổ phát quang trường xa và quang phổ phân giải góc, cho thấy sự hình thành của ngưng tụ polariton mở rộng vĩ mô, kết hợp”, Tiến sĩ Helgi Sigurðsson từ Khoa Vật lý, Đại học Warsaw và Viện Khoa học tại Đại học Iceland ở Reykjavik cho biết thêm.
Xác nhận bổ sung về các hiệu ứng phi tuyến tính là sự gia tăng năng lượng khi dân số tăng lên của một chế độ nhất định (được gọi là dịch chuyển xanh), là kết quả của các tương tác bên trong ngưng tụ. Nhờ các đặc tính độc đáo của cấu trúc perovskite, ngưng tụ có thể di chuyển quãng đường dài bên trong các tinh thể và ánh sáng phát ra có thể truyền qua các khe hở không khí đến các cấu trúc lân cận.
Tác động đến các thiết bị và công nghệ quang tử trong tương lai
“Các mô phỏng của chúng tôi cho thấy cách
các bộ cộng hưởng được hình thành tự nhiên cho các chế độ ánh sáng và sự tán xạ ảnh hưởng đến sự phát xạ từ các cạnh và các khúc cua trong tinh thể,” Tiến sĩ Andrzej Opala từ Khoa Vật lý, Đại học Warsaw và Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan, một trong những tác giả chính của bài báo và là người phát triển mô hình lý thuyết cho thấy khẩu độ số và giới hạn không gian trong các sợi vi sợi ảnh hưởng đến các hiệu ứng quan sát được như thế nào.
“Hơn nữa, nhờ các phép tính dựa trên việc giải các phương trình Maxwell trong các cấu trúc ba chiều có hình dạng phức tạp, chúng tôi đã có thể hình dung các chế độ quang tử và cho thấy hình ảnh của chúng hình thành như thế nào trong trường xa,” Giáo sư Tomasz Czyszanowski từ Đại học Công nghệ Lodz, người chuyên mô phỏng các cấu trúc quang tử và laser, giải thích.
Phát hiện này cho phép sử dụng chúng trong các hệ thống “trên chip” nhỏ gọn có thể xử lý cả các tác vụ tính toán cổ điển và lượng tử.
“Chúng tôi dự đoán rằng những khám phá của chúng tôi sẽ mở ra cánh cửa cho các thiết bị trong tương lai có thể hoạt động ở cấp độ photon đơn lẻ, tích hợp nanolaser với ống dẫn sóng và các thành phần khác trên một con chip duy nhất”, Giáo sư Michał Matuszewski từ Trung tâm Vật lý lý thuyết của Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan kết luận.
Triển vọng tích hợp và thương mại hóa của công nghệ quang tử Perovskite
Perovskite có thể đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển hơn nữa của các công nghệ quang học và những khám phá của các nhà vật lý từ UW có thể làm tăng đáng kể khả năng sử dụng tinh thể perovskite trong quang tử phi tuyến tính hoạt động ở nhiệt độ phòng. Hơn nữa, các cấu trúc được phát triển có thể tương thích với công nghệ silicon, giúp tăng cường tiềm năng thương mại hóa của chúng hơn nữa.
Tham khảo: “Các ống dẫn sóng tinh thể perovskite được thiết kế sẵn để ngưng tụ exiton-phân cực ở nhiệt độ phòng và phát laser cạnh” của Mateusz Kędziora, Andrzej Opala, Rosanna Mastria, Luisa De Marco, Mateusz Król, Karolina Łempicka-Mirek, Krzysztof Tyszka, Marek Ekielski, Marek Guziewicz, Karolina Bogdanowicz, Anna Szerling, gi Sigurðsson, Tomasz Czyszanowski, Jacek Szczytko, Michał Matuszewski, Daniele Sanvitto và Barbara Piętka, ngày 19 tháng 8 năm 2024, Vật liệu thiên nhiên.
DOI: 10.1038/s41563-024-01980-3
*Nghiên cứu được tiến hành tại Khoa Vật lý, Đại học Warsaw (UW) hợp tác với Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan (IFPAN), Viện Công nghệ Nano CNR-Nanotec tại Lecce, Ý, Khoa Vật lý thuộc Đại học Quốc gia Úc tại Canberra (UAu), Mạng lưới nghiên cứu Łukasiewicz – Viện Vi điện tử và Photonic (Łukasiewicz-IMiF), Viện Vật lý tại Đại học Công nghệ Lodz (PŁ), Viện Khoa học tại Đại học Iceland ở Reykjavik (UIs) và Trung tâm Vật lý lý thuyết thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan (CFT PAN).
