Grisial lamellar dau ddimensiwn sy'n cynnwys haenau atomig denau o ïodid plwm (PbI2) y gellid ei ddefnyddio i gynhyrchu cenhedlaeth newydd o gylchedau sy'n defnyddio dirgryniadau golau a mecanyddol (yn hytrach nag electronau) i drosglwyddo gwybodaeth yn yr ystod amledd terahertz.
Mae ymchwilwyr yng Nghanolfan Brasil ar gyfer Ymchwil i Ynni a Deunyddiau (CNPEM), mewn partneriaeth â chydweithwyr o Brifysgol Lille (Ffrainc) a sefydliadau rhyngwladol eraill, wedi astudio'r dechnoleg hon ac wedi cyhoeddi eu canfyddiadau ynCyfathrebu Natur.
Mae'r band terahertz yn cyfateb i ranbarth ynni isel o'r sbectrwm electromagnetig sydd wedi'i leoli rhwng isgoch a microdonau. Er gwaethaf hyn, fe'i hystyrir yn hanfodol ar gyfer datblygu technolegau cyfathrebu cyflym.
"Heddiw, mae Wi{0}Fi a 5G yn gweithredu ar amleddau o ychydig gigahertz (GHz, 109hertz). Ond mae diddordeb mewn symud tuag at gannoedd o gigahertz, neu hyd yn oed terahertz (1012hertz), oherwydd po uchaf yw'r amlder, y mwyaf yw'r lled band a'r gallu i drosglwyddo data," meddai Raul de Oliveira Freitas, pennaeth beamline Imbuia yn Labordy Golau Synchrotron Brasil (LNLS-CNPEM) a chydlynydd yr astudiaeth.
Ymchwiliodd yr astudiaeth i sut i gynhyrchu crisial haenog o ansawdd uchel sy'n gallu gweithredu fel canllaw tonnau ar gyfer ymbelydredd yn yr ystod amledd hon gan ddefnyddio ïodid plwm, deunydd rhad.
Gallai'r platfform hwn weithredu fel cyseinydd, sy'n cyfyngu golau ac yn dewis amleddau penodol trwy ymhelaethu ar rai dulliau o osgiliad. Gallai hefyd weithredu fel holltwr trawst, sy'n hollti pelydryn o olau yn ddau lwybr neu fwy i ganiatáu i'r signal optegol gael ei ddosbarthu, neu fel modulator, sy'n newid priodweddau golau, megis dwyster, cyfnod, neu amlder, i amgodio gwybodaeth.
Agwedd fwyaf arloesol y gwaith yw'r gallu i gyfyngu golau o fewn cyfeintiau llawer llai na'i donfedd.
"Yn yr ystod terahertz, mae gan olau donfeddi o gannoedd o ficromedrau. Yr hyn a wnawn yw cyfyngu'r golau hwn o fewn rhanbarthau submicromedr," eglura Freitas.
Mae hyn yn cael ei wneud yn bosibl trwy ffurfio phonon-polaritons, sef lledronynnau hybrid sy'n cyfuno dirgryniadau'r atomau yn y dellt grisial (ffonnau) â golau.
"Mae fel pe bai'r ffonon wedi'i wisgo mewn golau, gan ffurfio lledronyn gyda phriodweddau unigryw. Mae nodweddion lluosogi a rhyngweithio â mater y lledronynnau hyn yn wahanol i olau ynysig a ffonnau ynysig," meddai'r ymchwilydd.
Mae cyfyngu eithafol ar olau yn golygu gweithredu y tu hwnt i'r terfyn diffreithiant, sy'n cyfyngu ar gydraniad systemau optegol confensiynol.
"Mewn opteg glasurol, nid yw'n bosibl arsylwi na thrin strwythurau llawer llai na thonfedd golau. Gyda polaritonau, rydym wedi llwyddo i oresgyn y terfyn hwnnw," meddai Freitas.
I gyflawni hyn, defnyddiodd yr ymchwilwyr microsgopeg sganio optegol gwasgariad (s-SNOM), techneg sy'n defnyddio awgrymiadau metel nanoraddfa i gywasgu meysydd electromagnetig yn hynod.
"Mae'r domen yn gweithredu fel antena ac yn creu man cychwyn maes trydan gyda dimensiynau ar drefn degau o nanometrau, waeth beth fo'r donfedd wreiddiol. Mae hyn yn caniatáu gostyngiad sylweddol ym maint gofodol golau," meddai Freitas.
"Ar ben hynny, mae dwysedd y maes trydan mewn s-stilwyr SNOM hyd at 105gwaith yn uwch nag mewn tonnau rhydd, sy'n esbonio rhagoriaeth y dechneg ar gyfer ymchwil nanoffotonig. Roeddem yn gallu cyfyngu ton 200-micromedr i gyfaint llai na 50 nanometr."
Canfyddiad allweddol arall o'r astudiaeth oedd ffactor ansawdd uchel y polaritonau ffonon mewn PbI2. Mae'r ffactor ansawdd yn fesur o ba mor hir y mae'r osgiliad yn parhau cyn gwasgaru.
"Po hiraf y mae'r system yn pendilio, yr uchaf yw'r ffactor ansawdd. PbI2perfformio yn debyg i boron nitride hecsagonol (hBN), sef y deunydd cyfeirio yn yr ystod isgoch," meddai Freitas.
Amnewidyn syml a chynaliadwy
Yn wahanol i ïodid plwm, mae boron nitrid hecsagonol (hBN) yn ddeunydd hynod anodd i'w syntheseiddio, sy'n gofyn am bwysau eithafol a chyflyrau tymheredd. Hyd yn oed ar ôl mwy na dau ddegawd o ymchwil, ychydig o grwpiau ledled y byd sydd wedi meistroli cynhyrchu'r deunydd hwn o ansawdd uchel. Ymhellach, mae ei briodweddau yn ei wneud yn addas ar gyfer yr amrediad isgoch canol ond nid yr amrediad terahertz.
Ar y llaw arall, mae gan ïodid plwm ddau ragflaenydd rhad sy'n digwydd yn naturiol: ïodin a phlwm. Gellir ei grisialu hefyd mewn ffordd hynod o syml.
"Yn syml, toddwch yr halen mewn dŵr nes bod hydoddiant wedi'i or-dirlawn yn cael ei gael a'i gynhesu i tua 80 gradd C - rhywbeth y gellir ei wneud ar stôf cartref. Wrth oeri, mae'r deunydd yn crisialu, gan ffurfio strwythurau y gellir eu casglu," meddai'r ymchwilydd.
Mae'r gallu i drin golau ar nanoraddfa yn paratoi'r ffordd ar gyfer cylchedau ffotonig integredig sy'n gallu disodli neu ategu cylchedau electronig.
"Ar hyn o bryd, mae gwybodaeth yn cael ei throsglwyddo o fewn dyfeisiau trwy electronau. Gall defnyddio golau gynyddu cyflymder yn sylweddol a lleihau colledion. Mae'n cyfateb i'r hyn a ddigwyddodd ym maes telathrebu," meddai Freitas.
"O'r blaen, rydym yn defnyddio ceblau trydanol; heddiw, rydym yn defnyddio ffibrau optegol, sy'n caniatáu ar gyfer cyflymder llawer uwch. Gellir cymhwyso'r un egwyddor y tu mewn i sglodion. Ac, yn ogystal â chyflymder uwch, mae arbedion ynni: mae golau yn dioddef llawer llai o golledion na cherhyntau trydanol. Gall hynny arwain at atebion mwy effeithlon a chynaliadwy."
