Materialele 2D pliabile oferă noi proprietăți utile pentru comunicațiile cuantice. Ce înseamnă acest lucru pentru dezvoltarea comunicațiilor

Grafenul este un material format din atomi de carbon cu un strat gros, dispuși într-o structură de tip fagure. Acesta a fost folosit pentru a face materialele mai puternice, pentru a crea componente de înaltă frecvență pentru comunicații, pentru a spori performanța bateriei și chiar pentru a face teste COVID-19. Este un material arhetipal bidimensional (2D), dar există mai multe materiale 2D în afară de grafen.

De când grafenul a fost izolat pentru prima dată în 2004, cercetările s-au extins la crearea altor materiale 2D non-carbon. Acum există multe zeci dintre acestea și sunt considerate a avea un impact, în cazul în care grafenul este mai puțin potrivit, cum ar fi tranzistoarele noi și dispozitivele optoelectronice de nouă generație, care generează, detectează și controlează lumina.

Un studiu recent s-a concentrat pe o nouă formă de disulfură de tungsten din material 2D (WS2), care este atât 2D, cât și 3D. WS2 este un semiconductor – la fel ca siliciul, care se găsește în aproape toate dispozitivele electronice. Cu toate acestea, spre deosebire de siliciu, WS2 poate exista într-o formă 2D stabilă. Cercetătorii au aranjat materialul WS2 într-un mod nou.

Materialele 2D reinterpretate pot ajuta la dezvoltarea comunicațiilor

Această nouă formulă WS2 dublează frecvența și înjumătățește lungimea de undă a luminii laser – schimbându-și culoarea pe măsură ce o face – cu o eficiență deosebită. Acest lucru înseamnă că ar putea fi util în componente pentru comunicațiile cuantice utilizând lumina. Lumina este importantă în comunicațiile cuantice, deoarece particulele de lumină, numite fotoni, pot fi folosite pentru a transporta informații. Când doi fotoni experimentează ceva numit „inseparabilitate cuantică”, orice lucru se întâmplă cu unul dintre ei este imediat observabil în celălalt, indiferent cât de departe sunt unul de celălalt.

Comunicarea cuantică are potențialul de a oferi o comunicare cu adevărat sigură în întreaga lume. Folosind această proprietate bizară a “încâlcirii”, este posibil să se proiecteze un sistem astfel încât, atunci când un semnal este interceptat, expeditorul să știe imediat.

Multe dintre încercările de până acum de a crea comunicații cuantice au fost folosind lumina laser. Dar, pentru a face acest lucru, este nevoie de un mod eficient de a controla lumina. Acest lucru ar putea fi realizat cu materiale 2D.

În materialele 2D, electronii se pot mișca în două dimensiuni, dar mișcarea lor în a treia dimensiune este restricționată. Această închidere oferă materialelor 2D proprietăți interesante, ceea ce înseamnă că prezintă o mare eficacitate ca dispozitive ultra-subțiri pentru IT, comunicații, detectare, energie, imagistică și calcul cuantic. Pentru multe dintre aceste aplicații, materialele 2D, care au o grosime de doar un atom, se întind pe o suprafață de susținere.

Ce au descoperit oamenii de știință

Din păcate, totuși, rezistența acestor materiale extrem de subțiri este, de asemenea, cea mai mare slăbiciune a acestora. Aceasta înseamnă că atunci când sunt iluminate, lumina vizibilă poate interacționa cu ele doar pe o grosime mică, iar efectul rezultat este slab. Pentru a depăși acest lucru, cercetătorii încep să caute noi modalități de a împacheta materialele 2D în structuri 3D complexe.

Astfel, oamenii de știință au creat o rețea 3D. Caracteristicile sale unice sunt rezultatul procesului de sinteză specific pe care l-au dezvoltat. Au început prin creșterea nanotuburilor unidimensionale de WS2. Acestea sunt umplute în mod natural cu un material din care foile WS2 ar putea crește la vârfurile nanotuburilor și pe laturile lor, rotite una peste alta și desfășurate ca un ventilator. Aceste foi apoi s-au contopit între ele, pentru a crea foi 2D mai mari care se intersectează în cele 3D.

Așadar, studiul demonstrează că asamblarea materialelor 2D într-un aranjament 3D nu are ca rezultat doar materiale 2D mai groase cu care lumina interacționează mai puternic, ci produce materiale cu proprietăți complet noi. Materialul ar putea fi dezvoltat în continuare, de exemplu prin includerea nanoparticulelor metalice mici sau prin depunerea unui al doilea material. Astfel de hibrizi ar oferi modalități suplimentare de a schimba lumina laser care trece prin ele.

Următorul obiectiv al cercetătorilor este de a încorpora acest material în dispozitive care transmit și modifică lumina și care pot fi integrate cu microelectronica tradițională. Acesta este un traseu pentru dezvoltarea comunicațiilor optice cuantice practice.