Rivelatore di luce veloce fatto di materiali bidimensionali
Due gruppi di ricerca dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato congiuntamente un nuovo tipo di rivelatore di luce. Si tratta di materiali bidimensionali stratificati accoppiati a una fibra ottica di silicio. In futuro, questo approccio potrebbe essere utilizzato anche per produrre diodi luminosi e modulatori di luce.
Sensori altamente sensibili e interruttori piccoli e veloci per la luce sono il cuore della trasmissione di dati attraverso le fibre ottiche. Negli ultimi anni, questi componenti per le telecomunicazioni sono stati costantemente migliorati, ma sta diventando sempre più difficile ottenere ancora di più da essi. Ciò richiede l'unione delle forze di diverse specializzazioni, come hanno dimostrato due gruppi di ricerca dell'ETH di Zurigo.
Gli scienziati guidati dai professori Jürg Leuthold dell'Istituto di Campi Elettromagnetici e Lukas Novotny dell'Istituto di Fotonica, insieme ai colleghi dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali di Tsukuba (Giappone), hanno sviluppato un rivelatore di luce estremamente veloce e sensibile basato sull'interazione di nuovi materiali bidimensionali e guide di luce nanofotoniche. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Nanotechnology.
Materiali bidimensionali
"Nel nostro rivelatore volevamo sfruttare i vantaggi di diversi materiali e superare i rispettivi limiti", spiega Nikolaus Flöry, dottorando del gruppo di Novotny. "Il modo migliore per farlo è creare una sorta di cristallo artificiale, noto anche come eterostruttura, a partire da strati spessi solo pochi atomi. Eravamo anche interessati a capire se il clamore che circonda questi materiali bidimensionali è davvero giustificato per le applicazioni pratiche. "
Nei materiali bidimensionali, come il grafene, gli elettroni si muovono solo su un piano invece che su tre dimensioni spaziali. Questo cambia radicalmente le loro proprietà di trasporto, ad esempio quando viene applicata una tensione elettrica. Tuttavia, mentre il grafene è adatto solo in misura limitata alle applicazioni ottiche, i composti a base di metalli di transizione come il molibdeno o il tungsteno e di calcogeni come lo zolfo o il tellurio (abbreviato in TMDC) sono molto sensibili alla luce e possono essere facilmente combinati con guide di luce in silicio.
Interazione degli approcci
Le competenze per le guide di luce e l'optoelettronica ad alta velocità provengono dal gruppo di lavoro di Jürg Leuthold. Ping Ma, scienziato senior del gruppo, sottolinea che è stata l'interazione tra i due approcci a rendere possibile il nuovo rivelatore: "La comprensione dei materiali bidimensionali e delle guide d'onda che alimentano la luce nel rivelatore è stata fondamentale per il suo successo".
Insieme, abbiamo riconosciuto che i materiali bidimensionali sono particolarmente adatti alla combinazione con le guide di luce in silicio. Le specializzazioni dei nostri gruppi si completavano perfettamente. "Da un lato, era necessario trovare un modo per rendere più veloci i rivelatori basati su TMDC, normalmente piuttosto lenti. Dall'altro, il rivelatore doveva essere accoppiato in modo ottimale alle strutture di silicio con cui il dispositivo è collegato, ad esempio, a una fibra ottica.
Velocità attraverso la struttura verticale
"Abbiamo risolto il problema della velocità creando un'eterostruttura verticale a partire da un TMDC - nel nostro caso il molibdeno ditelluride - e dal grafene", spiega Flöry. A differenza dei rivelatori convenzionali, gli elettroni eccitati dalle particelle luminose in arrivo non devono attraversare uno spesso strato di materiale prima di poter essere misurati. Invece, lo strato bidimensionale TMDC assicura che gli elettroni lascino il materiale verso l'alto o verso il basso nel più breve tempo possibile.
Più veloce è il funzionamento, maggiore è la larghezza di banda del rivelatore. Questa indica la frequenza alla quale è possibile ricevere i dati codificati negli impulsi di luce. "Con la nostra nuova tecnologia speravamo di ottenere una larghezza di banda di qualche gigahertz: in realtà abbiamo raggiunto i 50 gigahertz", spiega Flöry. In precedenza, con i rivelatori TMDC era possibile ottenere una larghezza di banda inferiore a un gigahertz.
L'accoppiamento ottimale della luce è stato ottenuto integrando il rivelatore direttamente in una guida di luce nanofotonica. Una cosiddetta onda evanescente, che emerge dal lato della guida di luce, convoglia i fotoni attraverso uno strato di grafene (che garantisce una bassa resistenza elettrica) nello strato di ditelluride di molibdeno dell'eterostruttura.
Qui eccitano gli elettroni, che vengono infine rilevati sotto forma di corrente. Il design integrato della guida d'onda garantisce l'assorbimento di una quantità sufficiente di luce durante questo processo.
Una tecnologia con molte possibilità
I ricercatori della Fare ricerca all'ETH sono convinti che questa combinazione di guide d'onda ed eterostrutture possa essere utilizzata per produrre non solo rivelatori di luce, ma anche altri componenti ottici come modulatori di luce, diodi a emissione di luce e laser. "Le possibilità sono quasi illimitate", affermano Flöry e Ma. "Il rivelatore è solo un esempio di ciò che si può fare con questa tecnologia".
Nel prossimo futuro, gli scienziati intendono sfruttare le loro scoperte e ricercare altri materiali bidimensionali. Attualmente si conoscono circa un centinaio di materiali di questo tipo, che danno luogo a innumerevoli combinazioni possibili per nuove eterostrutture. Vogliono inoltre utilizzare altri effetti fisici, come i plasmoni, per ottenere un ulteriore miglioramento delle prestazioni.
Letteratura di riferimento
Flöry N, Ma P, Salamin Y et al. Fotorivelatore a eterostruttura di van der Waals integrato in guida d'onda a lunghezze d'onda di telecomunicazione con alta velocità e alta reattività. Nature Nanotechnology 15, 118-124 (2020). pagina esternahttps://doi.org/10.1038/s41565-019-0602-z