“Metamaterial hiperbolik” dapat membawa kemajuan optik termasuk mikroskop yang kuat, komputer kuantum, dan sel surya berkinerja tinggi. Grafik di sebelah kiri menggambarkan “dispersi hiperbolik” cahaya metamaterial. Di tengah adalah gambar mikroskop elektron transmisi beresolusi tinggi yang menunjukkan antarmuka titanium nitrida dan aluminium skandium nitrida dalam “kisi super” yang menjanjikan untuk aplikasi potensial. Di sebelah kanan adalah dua gambar yang dibuat menggunakan metode yang disebut transformasi Fourier cepat untuk melihat masing-masing lapisan dalam materi.
Para peneliti dari Universitas Purdue telah menciptakan superlattis dari lapisan logam titanium nitrida dan aluminium skandium nitrida, membawa “Metamaterial hiperbolik adalah bahan rekayasa yang memiliki sifat yang biasanya tidak ditemukan di alam.
metamaterials” mendekati kenyataan.
West Lafayette, Indiana – Para peneliti telah mengambil langkah menuju aplikasi praktis untuk “metamaterial hiperbolik,” film kristal ultra tipis yang dapat menghadirkan kemajuan optik termasuk mikroskop canggih, komputer kuantum, dan sel surya berkinerja tinggi.
Perkembangan baru mengingatkan pada kemajuan yang mengantarkan teknologi chip silikon, kata Alexandra Boltasseva, seorang profesor teknik elektro dan komputer Universitas Purdue.
Metamaterial optik memanfaatkan awan elektron yang disebut plasmon permukaan untuk memanipulasi dan mengontrol cahaya. Namun, beberapa komponen plasmonik yang sedang dikembangkan bergantung pada penggunaan logam seperti emas dan perak, yang tidak sesuai dengan proses pembuatan logam-oksida-semikonduktor (CMOS) komplementer yang digunakan untuk membangun sirkuit terpadu dan tidak mentransmisikan cahaya secara efisien.
Sekarang para peneliti telah menunjukkan cara membuat kristal “superlattice” dari lapisan logam titanium nitrida dan aluminium skandium nitrida, dielektrik, atau isolator. Superlattices adalah kristal yang dapat tumbuh terus menerus dengan menambahkan lapisan baru, persyaratan untuk aplikasi praktis.
“Pekerjaan ini merupakan langkah yang sangat penting dalam hal kontribusi mendasar dalam ilmu material dan optik serta membuka jalan menuju beberapa aplikasi menarik,” kata Boltasseva. “Kami percaya demonstrasi ini membawa perubahan paradigma ke bidang metamaterial yang mirip dengan perkembangan yang membawa kemajuan dramatis dalam teknologi silikon.”
Temuan penelitian dirinci dalam makalah yang muncul minggu ini di Edisi Awal Prosiding National Academy of Sciences online.
Para peneliti menciptakan superlattices menggunakan metode yang disebut epitaxy, “menumbuhkan” lapisan-lapisan di dalam ruang vakum dengan teknik yang dikenal sebagai magnetron sputtering. Sulit untuk menggunakan teknik ini untuk membuat struktur yang memiliki lapisan yang tajam, sangat tipis dan sangat halus dari dua bahan yang berbeda.
“Ini adalah salah satu laporan pertama dari superlattice epitaxial logam-dielektrik,” kata mahasiswa doktoral Purdue Bivas Saha, rekan penulis makalah PNAS dengan Gururaj V. Naik, mantan mahasiswa doktoral Purdue dan sekarang menjadi sarjana pascadoktoral di Stanford Universitas.
Daftar kemungkinan aplikasi untuk metamaterial termasuk “planar hyperlens” yang dapat membuat mikroskop optik 10 kali lebih kuat dan mampu melihat objek sekecil DNA, atau asam deoksiribonukleat, adalah molekul yang terdiri dari dua untai panjang nukleotida yang melingkari masing-masing. lainnya untuk membentuk heliks ganda. Ini adalah materi herediter pada manusia dan hampir semua organisme lain yang membawa instruksi genetik untuk perkembangan, fungsi, pertumbuhan, dan reproduksi. Hampir setiap sel dalam tubuh seseorang memiliki DNA yang sama. Sebagian besar DNA terletak di inti sel (yang disebut DNA inti), tetapi sejumlah kecil DNA juga dapat ditemukan di mitokondria (yang disebut DNA mitokondria atau mtDNA).
DNA, sensor canggih, pengumpul surya yang lebih efisien, dan Melakukan komputasi menggunakan mekanika kuantum fenomena seperti superposisi dan keterikatan.
komputasi kuantum.
“Perangkat plasmonik dan metamaterial memerlukan blok bangunan material yang baik, baik plasmonik maupun dielektrik, agar berguna dalam aplikasi dunia nyata apa pun,” kata Boltasseva. “Di sini, kami mengembangkan bahan plasmonik dan dielektrik yang dapat ditumbuhkan secara epitaksi menjadi lapisan ultra tipis dan ultra halus dengan antarmuka yang tajam.”
Metamaterial telah merekayasa permukaan yang berisi fitur, pola, atau elemen, seperti antena kecil atau lapisan nitrida bergantian yang memungkinkan kontrol cahaya yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dalam pengembangan selama sekitar 15 tahun, metamaterial memiliki potensi yang tidak biasa untuk desain presisi pada skala nanometer.
Makalah PNAS ditulis oleh Naik; Saha; mahasiswa doktoral Jing Liu dan Sammy M. Sabre; Eric Stach, seorang peneliti di Brookhaven National Laboratory; Joseph Irudayaraj, seorang profesor di Departemen Teknik Pertanian dan Biologi Purdue; Timothy D. Sands, wakil presiden eksekutif untuk urusan akademik dan rektor dan Basil S. Turner Profesor Teknik di Sekolah Teknik Material dan Teknik Listrik dan Komputer; Vladimir M. Shalaev, direktur ilmiah nanofotonik di Pusat Nanoteknologi Birck Purdue dan seorang profesor terkemuka di bidang teknik elektro dan komputer; dan Boltaseva.
“Pekerjaan ini dihasilkan dari kolaborasi unik antara nanofotonik dan ilmu material,” kata Boltasseva.
Metamaterial hiperbolik berperilaku sebagai logam ketika cahaya melewatinya dalam satu arah dan seperti dielektrik dalam arah tegak lurus. “Anisotropi ekstrem” ini mengarah pada “dispersi hiperbolik” cahaya dan kemampuan untuk mengekstraksi lebih banyak foton dari perangkat daripada yang dimungkinkan, menghasilkan kinerja tinggi.
Lapisan titanium nitrida dan aluminium skandium nitrida yang digunakan dalam penelitian ini masing-masing setebal 5 hingga 20 nanometer. Namun, para peneliti telah menunjukkan bahwa superlattices seperti itu juga dapat dikembangkan di mana lapisannya bisa setipis 2 nanometer, sebuah dimensi kecil yang tebalnya hanya sekitar delapan atom.
“Orang-orang telah mencoba selama lebih dari 50 tahun untuk menggabungkan logam dan Semikonduktor adalah jenis bahan yang memiliki konduktivitas listrik antara konduktor (seperti tembaga) dan isolator (seperti karet). Semikonduktor digunakan dalam berbagai perangkat elektronik, termasuk transistor, dioda, sel surya, dan sirkuit terpadu. Konduktivitas listrik semikonduktor dapat dikontrol dengan menambahkan pengotor ke material melalui proses yang disebut doping. Silikon adalah bahan yang paling banyak digunakan untuk perangkat semikonduktor, tetapi bahan lain seperti gallium arsenide dan indium phosphide juga digunakan dalam aplikasi tertentu.
semikonduktor dengan presisi skala atom untuk membangun superlattices,” kata Saha. “Namun, ini adalah salah satu demonstrasi pertama untuk mencapai langkah tersebut. Sifat optik menakjubkan yang kami lihat di sini adalah manifestasi dari kontrol struktural luar biasa yang telah kami capai.”
Prestasi ini dimungkinkan dengan memilih logam dan dielektrik dengan struktur kristal yang kompatibel, memungkinkan lapisan tumbuh bersama sebagai superlattice. Para peneliti memadukan aluminium nitrida dengan skandium nitrida, yang berarti aluminium nitrida diresapi dengan atom skandium untuk mengubah kisi kristal bahan agar sesuai dengan titanium nitrida.
“Kemungkinan menumbuhkan komponen logam dan bahan dielektrik sebagai keseluruhan sistem epitaxial sangat diperlukan untuk mewujudkan metamaterial berkinerja tinggi,” kata Saha. “Salah satu batu sandungan adalah kenyataan bahwa dielektrik umum seperti silika, alumina, dan oksida lainnya tidak dapat digunakan dalam kombinasi dengan komponen logam seperti logam nitrida karena proses pengendapan tidak kompatibel satu sama lain.”
Kedua bahan harus memiliki struktur kristal yang sama atau kompatibel.
“Secara umum, lattice mismatch kurang dari 5 persen diperlukan untuk meningkatkan kualitas film epitaxial,” ujarnya.
Aplikasi paten AS telah diajukan melalui Purdue Office of Technology Commercialization.
Bahan tersebut telah terbukti bekerja dalam spektrum luas dari inframerah-dekat hingga cahaya tampak, berpotensi menjanjikan beragam aplikasi.
“Itu adalah bagian baru dari pekerjaan ini – bahwa kita dapat membuat metamaterial kisi super yang menunjukkan dispersi hiperbolik dalam rentang spektrum yang terlihat,” kata Boltasseva.
Inframerah-dekat sangat penting untuk telekomunikasi dan komunikasi optik, dan cahaya tampak penting untuk sensor, mikroskop, dan sumber cahaya solid-state yang efisien.
“Yang paling menarik adalah ranah teknologi informasi kuantum,” ujarnya.
Komputer berdasarkan fisika kuantum akan memiliki bit kuantum, atau “qubit”, yang ada dalam keadaan hidup dan mati secara bersamaan, secara dramatis meningkatkan daya dan memori komputer. Komputer kuantum akan memanfaatkan fenomena yang dijelaskan oleh teori kuantum yang disebut “belitan”. Alih-alih hanya keadaan satu dan nol yang digunakan dalam pemrosesan komputer konvensional, ada banyak kemungkinan “keadaan kuantum terjerat” di antara satu dan nol, meningkatkan kapasitas untuk memproses informasi.
Penelitian ini sebagian didanai oleh US Army Research Office dan National Science Foundation.
Publikasi : Gururaj V. Naik, et al., “Superlattis epitaxial dengan titanium nitrida sebagai komponen plasmonik untuk metamaterial hiperbolik optik,” PNAS, 2014; doi: 10.1073/pnas.1319446111
Gambar: Universitas Purdue
