Active Phase and Amplitude Modulation in Perovskite Polaritonic Waveguides

Moderne computers vertrouwen op elektriciteit om informatie te verplaatsen, maar de snelste en meest efficiënte manier om data te verplaatsen is eigenlijk met licht. Dit veld, bekend als fotonica, heeft als doel circuits te bouwen waarbij lichtstralen fungeren als elektrische draden, die informatie met ongelooflijke snelheid vervoeren zonder de hitte die elektronische chips vertraagt. Het is echter gemakkelijk om licht door een passief pad te leiden, maar het moeilijk om dat licht op commando van gedrag te laten veranderen. Om nuttige optische computers of geavanceerde sensoren te bouwen, hebben ingenieurs materialen nodig die licht actief aan en uit kunnen schakelen of de timing ervan kunnen verschuiven, en dat alles binnen een ruimte zo klein als een korrel zand. De uitdaging was het vinden van een materiaal dat dit sterk kan doen zonder te veel van het licht te absorberen of enorme hoeveelheden energie te vereisen.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om licht te controleren met behulp van een speciaal type kristal genaamd een halide perovskiet. In hun werk, gepubliceerd in een studie over geïntegreerde fotonische technologieën, creëerden ze minuscule kanalen, of golfgeleiders, van dit materiaal en toonden ze aan dat ze elektriciteit kunnen gebruiken om te veranderen hoe licht door deze reist. De sleutel tot hun succes ligt in een fenomeen genaamd exciton-polaritonen. Wanneer licht dit specifieke kristal binnendringt, stuitert het niet alleen rond; het koppelt met de elektronen binnen het materiaal om een hybride deeltje te vormen. Dit nieuwe deeltje fungeert als een mix van een lichtstraal en een materiegolf, waarbij het de snelheid van het licht erft maar ook het vermogen om sterk met zijn omgeving te interageren. Door een klein deel van het kristal te verwarmen met een piepklein elektrisch verwarmingselement, konden de onderzoekers een structurele verandering in het materiaal triggeren. Deze verandering verschuift de energie van de hybride deeltjes, waardoor het team de lichtgolf kon vertragen of volledig kon blokkeren, afhankelijk van de kleur van het licht dat zij kozen.

Het apparaat dat zij bouwden is in essentie een Y-vormig kanaal dat is uitgesneden in een dunne film van het perovskietmateriaal. Licht komt aan één kant binnen en splitst zich in twee paden. Naast een van deze paden plaatsten de onderzoekers een microscopisch verwarmingselement gemaakt van metaal. Wanneer zij een kleine elektrische stroom door dit verwarmingselement stuurden, warmde het de perovskietkristal net genoeg op om de interne structuur te veranderen. Dit materiaal ondergaat een specifieke transformatie wanneer het een kritische temperatuur bereikt, waarbij het verschuift van één kristalstructuur naar een andere. Deze verschuiving verplaatst het energieniveau waar het licht en de materie het sterkst met elkaar interageren. Omdat het licht dat door de golfgeleider reist zo gevoelig is voor dit energieniveau, veroorzaakt de kleine temperatuurverandering een dramatisch effect op de lichtstraal.

De onderzoekers ontdekten dat ze het licht op twee verschillende manieren konden controleren, simpelweg door de kleur, of energie, van het licht dat zij erin stuurden te kiezen. Wanneer zij licht met een lagere energie gebruikten, fungeerde het apparaat als een faseverschuiver. In deze modus blokkeerde de heater het licht niet, maar vertraagde het in plaats daarvan de voortbeweging van het licht net genoeg om de timing te verschuiven. Ze maten dat een zeer kleine hoeveelheid vermogen, ongeveer 0,2 milliwatt over een afstand van één millimeter, voldoende was om de lichtgolf met een halve cyclus te verschuiven. Deze efficiëntie is ongeveer tien keer beter dan wat momenteel wordt bereikt met siliciumgebaseerde apparaten van vergelijkbare grootte, die meestal veel meer energie vereisen om hetzelfde resultaat te bereiken.

Wanneer zij overschakelden naar licht met een iets hogere energie, dichter bij de natuurlijke resonantie van het materiaal, gedroeg het apparaat zich anders. In deze staat interageert het licht sterker met de elektronen van het kristal. Wanneer de heater werd ingeschakeld, zorgde deze sterke interactie ervoor dat het licht werd geabsorbeerd, waardoor het signaal effectief werd uitgeschakeld. Het apparaat fungeerde als een schakelaar, waarbij de intensiteit van het licht met één decibel werd verminderd voor elke micrometer aan verhitte materie. Dit betekent dat zij met slechts 20 milliwatt aan vermogen de lichtstraal in één arm van het kanaal volledig konden blokkeren, terwijl de andere arm ongemoeid bleef. Dit vermogen om tussen het verschuiven van de timing van het licht en het aan- en uitschakelen van het licht te schakelen met dezelfde fysieke structuur, is een belangrijke stap voorwaarts.

De studie bevestigt dat deze hybride licht-materie deeltjes over lange afstanden binnen het kristal kunnen worden geleid, waarbij ze meer dan 300 micrometer reizen zonder te verdwijnen. Deze lange reisafstand is cruciaal omdat het mogelijk maakt om meerdere componenten, zoals splitters en schakelaars, op hetzelfde minuscule chip te plaatsen. De onderzoekers verifieerden ook dat de verwarming zeer gelokaliseerd was; de temperatuurstijging was strikt beperkt tot de arm van het kanaal naast de heater, waardoor de naburige arm volledig onaangetast bleef. Deze precisie zorgt ervoor dat het apparaat kan worden opgeschaald om complexe circuits te creëren waarbij veel schakelaars naast elkaar werken zonder elkaar te verstoren.

Door aan te tonen dat een eenvoudige structurele verandering in een perovskietkristal het licht zo effectief kan controleren, opent dit werk een pad naar compactere en energiezuinigere optische circuits. De onderzoekers toonden aan dat de respons van het materiaal niet beperkt is tot een enkele functie, maar kan worden afgestemd om verschillende taken uit te voeren door simpelweg de energie van het licht aan te passen. Deze flexibiliteit suggereert dat toekomstige optische computers gebouwd kunnen worden met kleinere, snellere en veelzijdiger componenten dan mogelijk is met de huidige technologie. De bevindingen bieden een duidelijk bewijs van concept dat excitonische materialen als het actieve hart van de volgende generatie fotonische apparaten kunnen dienen, waarmee de kloof tussen de behoefte aan snelle dataprocessing en de beperkingen van huidige elektronische systemen wordt overbrugd.