Strainoptronics:En ny måde at styre fotoner på

Forskere opdagede en ny måde at konstruere optoelektroniske enheder på ved at strække et todimensionalt materiale oven på en fotonisk siliciumplatform. Ved at bruge denne metode, opfundet strainoptronics af et team ledet af George Washington University professor Volker Sorger, forskerne demonstrerede for første gang, at et 2-D-materiale viklet omkring en nanoskala fotonisk bølgeleder i silicon skaber en ny fotodetektor, der kan fungere med høj effektivitet ved den teknologikritiske bølgelængde på 1550 nanometer.

En sådan ny fotodetektion kan fremme fremtidige kommunikations- og computersystemer, især i nye områder som maskinlæring og kunstige neurale netværk.

Det moderne samfunds stadigt stigende datakrav kræver en mere effektiv konvertering af datasignaler i det optiske domæne, fra fiberoptisk internet til elektroniske enheder, som en smartphone eller laptop. Denne konverteringsproces fra optiske til elektriske signaler udføres af en fotodetektor, en kritisk byggesten i optiske netværk.

2-D materialer har videnskabelige og teknologisk relevante egenskaber for fotodetektorer. På grund af deres stærke optiske absorption, at designe en 2-D materialebaseret fotodetektor ville muliggøre en forbedret fotokonvertering, og dermed mere effektiv datatransmission og telekommunikation. Imidlertid, 2-D halvledende materialer, såsom dem fra familien af ​​overgangsmetal dichalcogenider, har, indtil nu, ikke været i stand til at fungere effektivt ved telekommunikationsbølgelængder på grund af deres store optiske båndgap og lave absorption.

Strainoptronics giver en løsning på denne mangel og tilføjer et teknisk værktøj til forskere til at ændre de elektriske og optiske egenskaber ved 2-D-materialer, og dermed de banebrydende 2-D materialebaserede fotodetektorer.

At realisere potentialet i strainoptronics, forskerne strakte et ultratyndt lag molybdæn tellurid, en 2-D materiale halvleder, oven på en silicon fotonisk bølgeleder for at samle en ny fotodetektor. De brugte derefter deres nyoprettede strainoptronics "betjeningsknap" til at ændre dens fysiske egenskaber for at skrumpe den elektroniske båndgap, tillader enheden at fungere ved nær infrarøde bølgelængder, nemlig ved telekommunikation (C-bånd) relevant bølgelængde omkring 1550 nm.

Forskerne bemærkede et interessant aspekt af deres opdagelse:mængden af ​​belastning, som disse halvleder 2-D-materialer kan bære, er betydeligt højere sammenlignet med bulkmaterialer for en given mængde belastning. De bemærker også, at disse nye 2-D materialebaserede fotodetektorer er 1, 000 gange mere følsom i forhold til andre fotodetektorer, der bruger grafen. Fotodetektorer, der er i stand til en sådan ekstrem følsomhed, er nyttige ikke kun til datakommunikationsapplikationer, men også til medicinsk registrering og muligvis endda kvanteinformationssystemer.

"Vi fandt ikke kun en ny måde at konstruere en fotodetektor på, men opdagede også en ny designmetode til optoelektroniske enheder, som vi kaldte 'strainoptronics'. Disse enheder har unikke egenskaber for optisk datakommunikation og for nye fotoniske kunstige neurale netværk, der bruges i maskinlæring og AI, "sagde Volker Sorger, lektor i el- og computerteknik på GW

"Interessant nok, i modsætning til bulkmaterialer, todimensionelle materialer er særligt lovende kandidater til belastningsteknik, fordi de kan modstå større mængder belastning før brud. I den nærmeste fremtid, vi ønsker at påføre belastning dynamisk på mange andre todimensionelle materialer i håbet om at finde uendelige muligheder for at optimere fotoniske enheder, "sluttede Rishi Maiti, postdoktor i el- og datateknisk afdeling på GW