Antena w nano skali zapewniająca ochronę hiperdźwięku

W burzliwym oceanie wieloryby nurkują, aby uniknąć niespokojnych wód. Dźwięk, który byłby rozpraszany przez fale oceanu, jest chroniony pod wodą i może rozprzestrzeniać się na setki kilometrów. Pomaga to wielorybom słyszeć w swoim otoczeniu i komunikować się ze sobą nawet na duże odległości. Czy ten efekt podpowierzchniowej ochrony dźwięku można dostosować do komunikacji w nano skali? Badania przeprowadzone przez międzynarodowy zespół naukowców ze strukturami produkowanymi przez Raith’a dają odpowiedź: Tak!
Schematyczne przedstawienie przeprowadzonego eksperymentu
Chroniona propagacja fal dźwiękowych w nano skali jest aktualnym problemem. Wiele koncepcji komunikacji w nano skali wykorzystuje fale akustyczne o wysokiej częstotliwości rozchodzące się wzdłuż powierzchni do kodowania i przesyłania danych. Powierzchniowe fale akustyczne o częstotliwościach GHz i długości fal do 100 nm (często nazywane hiperdźwiękami) już dowiodły swojego potencjału w komunikacji kwantowej. Jednak działają one tylko na doskonałych, pozbawionych wad powierzchniach; każde pofałdowanie powoduje intensywne rozpraszanie, jak w przypadku dźwięku w oceanie. Fakt ten znacznie komplikuje architekturę na chipie. Niezwykle pożądane jest nurkowanie dźwięku pod powierzchnią, gdzie jest on chroniony przed rozpraszaniem nawet w przypadku mocno pofałdowanej powierzchni.
Sposób uzyskania chronionej propagacji hiperdźwięku pod powierzchnią przedstawiono we wspólnych badaniach prowadzonych przez naukowców z Niemiec, Wielkiej Brytanii, Francji, Ukrainy i Rosji. Badany projekt to „kanapka” składająca się z trzech warstw:
• podłoże,
• planarna okresowa struktura półprzewodnikowa (super sieć) służąca jako podpowierzchniowy falowód akustyczny, oraz
• metalowa nano siatka na wierzchu.
Nano siatka produkowana przez VELION FIB-SEM ma okresy 200 nm i głębokość 25 nm i służy jako opto akustyczna antena, która przekształca impuls lasera w wiązkę fal akustycznych i odwrotnie, umożliwia wykrywanie rozchodzących się fal akustycznych przez modulację odbitego światła. Wzbudzenie nano siatki przez 100-femtosekundowy (10-13 s) impuls laserowy zogniskowany na 1-mikronowym punkcie generuje dwie wiązki akustyczne: wiązkę powierzchniowych fal akustycznych, które rozchodzą się na powierzchni nano siatki, oraz fale dolne, które rozchodzą się równolegle do powierzchni wewnątrz falowodu półprzewodnikowego. Podczas gdy fale na powierzchniach ulegają rozproszeniu i całkowitemu zanikowi w granicach ~ 10 mikronów, fala spodnia rozchodzi się na odległości do 100 mikronów.
Dr Alexey Scherbakov, który kierował pracami eksperymentalnymi w TU Dortmund, mówi: „To pierwsza obserwacja falowodu podpowierzchniowego dla hiperdźwięku. Obserwowana odległość propagacji do 100 mikronów jest ogromna przy długości fali 200 nm i przy tak wysokiej częstotliwości! Kluczowym elementem tego eksperymentu była nano siatka wyprodukowana w Raith przez Achima Nadzeykę. W celu wykrycia generowanej fali podpowierzchniowej, gdy przemieszcza się ona pod nano siatką, niezwykle ważne jest, aby główne parametry strukturalne nano siatki pozostawały stałe. I pozostały takie same nawet wzdłuż siatki o długości 500 mikronów.
Dlatego praca z takimi konstrukcjami, które doskonale nadają się zarówno do eksperymentowania, jak i do dalszego modelowania teoretycznego, była prawdziwą przyjemnością ”.
Wyniki badania opublikowano w ACS Nano: D. Yaremkevich et al. “Protected long-distance guiding of hypersound underneath a nano-corrugated surface” (https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09475 ).