Vědci zmapovali šíření terahertzových vln v polovodičovém krystalu. Práci otiskl Nature Materials

Mezinárodní tým vědců ze Španělska, Číny, Německa a Česka zveřejnil výsledky unikátního experimentu. Během něj se podařilo zobrazit a analyzovat terahertzové vlnění, které se šíří ve formě takzvaných plazmonových polaritonů podél tenkých destiček krystalu hessit. Pochopení tohoto principu otevírá mimo jiné cestu k vývoji nových komunikačních technologií. Tuzemskou zástupkyní v týmu byla výzkumnice Andrea Konečná z Vysokého učení technického v Brně. Práci otiskl prestižní časopis z „rodiny“ Nature, konkrétně Nature Materials.

Vědci pracovali s materiálem zvaným hessit (Ag2Te, tellurid stříbrný). Ačkoliv se minerál vyskytuje i ve volné přírodě, pro účely experimentu jej připravili ve formě nanokrystalů odborníci z Fudanské univerzity v čínské Šanghaji. Použité vzorky byly tenké méně než sto nanometrů, tedy tisíckrát tenčí než lidský vlas.

„Hessit má velmi zajímavé vlastnosti. My jsme měřili jeho optické vlastnosti, ovšem na velmi nízkých frekvencích, které člověk nemůže běžně vidět. V materiálu se nám podařilo pomocí speciálního mikroskopu vybudit takzvané plazmony, které vznikají díky odezvě vodivostních elektronů na světlo. V našem případě si plazmony si můžeme představit jako vlnění, které je lokalizované velmi těsně na povrchu nanokrystalu, a které umožňuje do tohoto speciálního materiálu fokusovat světlo na velmi nízkých frekvencích,“ popisuje vědkyně Andrea Konečná z VUT v Brně.

Hessit je zajímavý i tím, že se chová jako „špatný kov“. „Běžné kovy se ve všech směrech chovají stejně, například stejně vedou elektrický proud nebo právě světlo ve formě povrchových plazmonů. Naopak hessit se v každém směru chová trochu jinak. Když to řeknu s nadsázkou, světlo se v něm dá „pokřivit“ v závislosti na tom, jak materiál například natočíte nebo jak na něj svítíte,“ doplňuje Konečná.

Vědcům se podařilo u kovu vůbec poprvé experimentálně prokázat takzvanou anizotropii, tedy výše zmíněný potenciál měnit vlastnosti určité veličiny podle volby směru. Z výzkumného hlediska jde o velmi zajímavou možnost. „Představte si, že do vody hodíte kámen – vlny se pak budou šířit rovnoměrně do všech směrů a na hladině vytvoří soustředné kružnice. Zkoumaný materiál se ale choval tak, že jsme pozorovali elipsy: v jednom směru se povrchové plazmony šířily na menší vlnové délce, v dalším na větší. A dá se dosáhnout i případů, kdy se v jednom směru nebudou šířit vůbec. Pokud budeme tento mechanismus dokonale znát, můžeme s tím dále pracovat,“ říká Konečná.

Andrea Konečná působí na VUT v centru CEITEC a také na Fakultě strojního inženýrství, kde pod Ústavem fyzikálního inženýrství buduje vlastní výzkumnou skupinu. Odborně se zaměřuje na nanofotoniku, tedy obor, který se věnuje zkoumání světla v nanostrukturách, a také na vývoj nových technik v elektronové mikroskopii. V rámci publikovaného výzkumu doplnila experiment o teoretický model a výpočty. Ke spolupráci jí pomohly také dlouholeté zahraniční zkušenosti, které sbírala mimo jiné i v baskickém výzkumném centru CIC nanoGUNE BRTA, které výzkum vedlo.

Výsledky, na kterých se vedle zmíněných pracovišť podílela i Šanghajská univerzita, Baskická univerzita, Mezinárodní fyzikální centrum v Donostii a Institut Maxe Plancka pro chemickou fyziku pevných látek v Drážďanech, otiskl prestižní časopis Nature Materials. „Co se týče odborných časopisů v oblasti materiálů, jedná se o absolutní špičku,“ potvrzuje Konečná. Výzkum byl i podle ní poměrně složitý a neobešel by se bez výrazné mezinárodní spolupráce. „Velkou výzvou bylo provést měření pomocí speciálně upraveného mikroskopu, protože jsme pracovali se zářením, které není běžně vidět a pro jehož vytvoření byl potřeba ne úplně běžný laser. Abychom pak povrchové plazmony vůbec dokázali vizualizovat, přišli jsme s trikem, kdy jsme materiál dali – velmi nadneseně řečeno – nad zlaté zrcátko, které dokázalo prodloužit jejich šíření,“ dodává Konečná.

Výsledky nabízí příslib využití v praxi, byť vědci zatím stále pracují na základním výzkumu. „Slibné je zejména terahertzové vlnění, což je technologicky významná oblast spektra zajímavá pro vývoj komunikačních technologií. „Mluvíme-li o terahertzích, jde o tři řády rychlejší vlnění než gigahertz, který používají dnešní technologie například v počítačích. Vlnění by bylo možné využít i ke zkoumání základních vlastností materiálů v nanoměřítku, potenciál pro případné využití zde tedy je. Zatím jsme nicméně na začátku a snažíme se vůbec pochopit, jaké vlastnosti materiál má, případně jak ho vylepšit,“ upozorňuje Konečná.

Reference: Real-space observation of ultra-confined in-plane anisotropic acoustic THz plasmon polaritonsS. Chen*, P. L. Leng*, A. Konečná, E. Modin, M. Gutierrez-Amigo, E. Vicentini, B. Martín-García, M. Barra-Burillo, I. Niehues, C. Maciel Escudero, X. Y. Xie, L. E. Hueso, E. Artacho, J. Aizpurua, I. Errea, M. G. Vergniory, A. Chuvilin, F. X. Xiu, R. HillenbrandNature Materials, DOI: 10.1038/s41563-023-01547-8

Autor článku: Fakulta strojního inženýrství VUT