با رمزگشایی نحوه تعامل بلور تیتانات باریم با نور، پژوهشگران داده‌هایی ارائه کرده‌اند که می‌تواند خطا و آزمون پرهزینه در طراحی دستگاه‌های ارتباط نوری سریع‌تر را کاهش دهد.
وقتی نور داده‌ها را از طریق یک دستگاه ارتباطی منتقل می‌کند، جذب توسط مواد داخلی می‌تواند سیگنال را تضعیف کند. مهندسانی که تلاش می‌کنند دستگاه‌های سریع‌تر و کارآمدتر بسازند، باید پیش‌بینی کنند که نور چگونه از میان آن مواد عبور خواهد کرد و چه مقدار از آن از دست می‌رود، پیش از آنکه به یک طراحی متعهد شوند.
برای ماده‌ای امیدوارکننده به نام تیتانات باریم یا BTO، این اندازه‌گیری‌ها برای دهه‌ها به شدت متفاوت بوده‌اند. اکنون تیم پژوهشی تحت رهبری KAIST نحوه تعامل آن با نور را روشن کرده و داده‌هایی ارائه داده است که می‌تواند به مهندسان کمک کند تا دستگاه‌ها را با قابلیت اطمینان بیشتری طراحی کنند و دورهای پرهزینه ساخت و بازطراحی را کاهش دهند.
یک بلور، پاسخ‌های متفاوت به نور
BTO راه مفیدی برای کنترل نور ارائه می‌دهد زیرا اعمال یک میدان الکتریکی ضریب شکست آن را تغییر می‌دهد؛ ضریب شکست معیاری است که نشان می‌دهد نور هنگام عبور از یک ماده چقدر کند می‌شود. پاسخ قوی آن به میدان الکتریکی، که به عنوان اثر پوکلز شناخته می‌شود، آن را برای مدولاتورهای نوری امیدوارکننده می‌سازد. این دستگاه‌ها از سیگنال‌های الکتریکی برای کنترل نور و کدگذاری اطلاعات بر روی آن استفاده می‌کنند.
مشکل اینجاست که یک بلور BTO می‌تواند شامل مناطق کوچکی باشد که دامنه‌ها نامیده می‌شوند و جهت‌گیری‌های بلوری متفاوتی دارند. آن مناطق می‌توانند به طور متفاوتی با نور تعامل داشته باشند، بنابراین اندازه‌گیری همزمان آنها پاسخ‌هایشان را ترکیب می‌کند. این امر تعیین خواص نوری زیربنایی ماده و پیش‌بینی رفتار آن در یک دستگاه را دشوارتر می‌سازد.
برای کاهش این اختلاط، تیمی به سرپرستی پروفسور مین سئوک جانگ از دانشکده مهندسی برق KAIST دو نوع نمونه تک‌بلور BTO با جهت‌گیری نسبتاً یکنواخت دامنه‌ها را بررسی کرد. پژوهشگران از اللیپسومتری طیفی ماتریس مولر استفاده کردند، تکنیکی که تغییرات در قطبش نور، یا جهت‌گیری نوسانات میدان الکتریکی آن را هنگام بازتاب از یا عبور از یک ماده اندازه‌گیری می‌کند. این تغییرات اطلاعاتی درباره نحوه تأثیر ماده بر نور فراهم می‌کنند.
تحلیل آنها طول موج‌هایی از ۱۹۰ نانومتر (nm) تا ۴۰ میکرومتر (μm) را پوشش داد و از فرابنفش تا فروسرخ دور را شامل شد. چون BTO در سراسر آن بازه به طور متفاوتی با نور تعامل دارد، پژوهشگران آن را به سه ناحیه طیفی تقسیم کردند و از رویکرد تحلیلی مناسب برای هر کدام استفاده نمودند. آنها تعیین کردند که ضریب شکست و خواص جذب چگونه با هر دو طول موج و جهت‌گیری بلور تغییر می‌کنند.
تیم همچنین روشی برای محاسبه پاسخ نوری کلی یک بلور حاوی دامنه‌های با جهت‌گیری متفاوت توسعه داد. با استفاده از جهت‌گیری‌ها و نسبت‌های نسبی آن دامنه‌ها، این روش ساختار داخلی مخلوطی را که تعیین خواص BTO را دشوار ساخته بود، در نظر می‌گیرد.
اندازه‌گیری افت نور در تیتانات باریم تقریباً شفاف
حتی در بازه طول موجی که BTO تقریباً شفاف است، پژوهشگران توانستند جذب بسیار ضعیف را کمّی‌سازی کنند. آنها اللیپسومتری را با اندازه‌گیری‌های جداگانه عبور ترکیب کردند، که ثبت می‌کنند چه مقدار نور از یک نمونه عبور می‌کند، تا ضرایب خاموشی را تا حدود ۱۰⁻⁵ در بازه ۲ تا ۱۰ میکرومتر تعیین نمایند. ضریب خاموشی توصیف می‌کند که یک ماده چقدر شدید نور را جذب می‌کند، با مقادیر کوچکتر نشان‌دهنده جذب ضعیف‌تر.
این اندازه‌گیری‌ها به طور مشترک به دو پرسش عملی درباره یک راهنمای موج، ساختاری که نور را از طریق یک دستگاه هدایت می‌کند، پاسخ می‌دهند. ضریب شکست به طراحان کمک می‌کند تا پیش‌بینی کنند نور چگونه حرکت خواهد کرد، در حالی که ضریب خاموشی به آنها کمک می‌کند تخمین بزنند چه مقدار از آن به دلیل جذب از بین می‌رود. مهندسان می‌توانند از داده‌ها برای ارزیابی دستگاه‌های با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف قبل از ساخت استفاده کنند. کاربردهای بالقوه شامل مدولاتورهای ارتباطی، دستگاه‌هایی که نور را در طول موج‌های جدید تولید می‌کنند، و مدارهایی که اطلاعات کوانتومی را با استفاده از نور پردازش می‌کنند، می‌باشند.
KAIST، به ریاست پرزیدنت چونگ‌سیک بی، این کار را در ۸ نوامبر اعلام کرد. مطالعه در همکاری با تیم پروفسور هری ای. اتواتر در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech)، موسسه ملی استانداردها و علوم کره (KRISS)، و شرکت آمریکایی J.A. Woollam Co. انجام شد.
«این مطالعه پاسخ نوری تیتانات باریم را که مدت‌ها مبهم باقی مانده بود آشکار می‌کند و مرجع قابل اعتمادی برای نحوه تعامل ماده با نور ارائه می‌دهد»، به گفته پروفسور مین سئوک جانگ. او افزود که انتظار می‌رود یافته‌ها به دستگاه‌های ارتباط نوری که افت نور را کاهش می‌دهند و انتقال داده سریع‌تر را ممکن می‌سازند، و همچنین به دستگاه‌های فوتونیک کوانتومی که نیازمند کنترل دقیق نور هستند، کمک کند.
مرجع: «مشخصه‌یابی نوری پهنای باند تیتانات باریم چهاروجهی توسط اللیپسومتری طیفی ماتریس مولر» توسط جی‌وون کانگ، نینا هونگ، کریستوفر ام. یی، یون سو گو، مارتین توماشفسکی، هوی جی وو، پراچی تورجا، جونگهون جانگ، هری ای. اتواتر و مین سئوک جانگ، ۲۰ اکتبر ۲۰۲۶، ACS Photonics.
DOI: 10.1021/acsphotonics.6c01514
این پژوهش توسط برنامه تحقیقات و توسعه فرهنگ، ورزش و گردشگری از طریق آژانس محتوای خلاق کره (KOCCA)، با تأمین مالی از وزارت فرهنگ، ورزش و گردشگری؛ برنامه تحقیقات علوم پایه از طریق بنیاد ملی تحقیقات کره (NRF)، با تأمین مالی از وزارت آموزش؛ وزارت علوم و فناوری اطلاعات و ارتباطات؛ و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده (AFOSR) حمایت شد.