Menciptakan teknologi yang hampir tidak terlihat dan dapat dipakai seperti lensa kontak pintar dan kacamata augmented reality (AR) ultra-tipis akan memerlukan perombakan radikal terhadap komponen optik konvensional. Daripada mengandalkan lensa dan perangkat keras berukuran besar, para peneliti justru mengeksplorasi material yang dapat memanipulasi cahaya pada skala atom.
Sebuah tim dari XPANCEO, bekerja sama dengan para ilmuwan dari Universitas Nasional Singapura dan Universitas Kimia dan Teknologi di Praha, melaporkan terobosan besar dalam upaya ini. Studi mereka berfokus pada kristal berlapis yang disebut molibdenum oksiklorida (MoOCl2), yang menunjukkan serangkaian sifat optik tidak biasa yang dapat membantu mengurangi ukuran perangkat optik masa depan secara signifikan.
Diterbitkan di huruf nanoPenelitian ini menyajikan pemetaan eksperimental pertama dari perilaku optik kristal. Hasilnya menunjukkan bahwa MoOCl2 menunjukkan efek pembengkokan cahaya paling kuat yang pernah diukur pada bahan alami, berpotensi membuka jalan bagi teknologi optik berperforma lebih tinggi dan lebih kecil.
Kristal yang bertindak seperti logam dan kaca
Peneliti mendeskripsikan MoOCl2 seperti semacam “bunglon” optik. Perilakunya berubah tergantung pada orientasi kristal.
Ketika diposisikan dalam satu arah, ia memantulkan cahaya seperti logam. Putar 90 derajat dan itu akan menjadi transparan seperti kaca. Fitur yang tidak biasa ini berasal dari anisotropi optik ekstremnya, yang berarti sifat-sifatnya sangat bervariasi bergantung pada arah.
Kristal ini juga memiliki nilai birefringence dalam bidang sekitar 2,2, yang memungkinkannya membelah dan membelokkan cahaya dengan efisiensi luar biasa. Bagi XPANCEO, hal ini dapat memungkinkan kontrol cahaya canggih yang diperlukan untuk tampilan AR menggunakan bahan yang ribuan kali lebih tipis dari rambut manusia.
Efek perlambatan cahaya yang jarang ditemukan pada cahaya tampak
Para peneliti juga mengidentifikasi titik epsilon mendekati nol yang langka pada 512 nm (lampu hijau).
Pada titik ini, sebagian respons optik material turun hingga hampir nol. Akibatnya, cahaya melambat sementara medan listrik di dalam kristal menjadi lebih kuat. Kombinasi ini secara signifikan dapat meningkatkan interaksi antara cahaya dan materi.
Untuk chip fotonik terintegrasi, efek ini bisa sangat berharga. Interaksi materi cahaya yang lebih kuat dapat memungkinkan pemrosesan data lebih cepat dan menggunakan lebih sedikit energi.
Mengapa para ilmuwan tertarik pada MoOCl2
Fisikawan mempelajari MoOCl2 selama beberapa tahun karena struktur elektroniknya yang tidak biasa.
Bahan tersebut diklasifikasikan sebagai “logam buruk” dan mengandung rantai atom molibdenum satu dimensi. Rantai ini memungkinkan elektron bergerak lebih mudah ke satu arah dibandingkan arah lainnya. Akibatnya, kristal berperilaku seperti logam sepanjang satu sumbu dan seperti bahan dielektrik sepanjang sumbu tegak lurus, menciptakan anisotropi yang sangat kuat.
Penelitian sebelumnya diterbitkan di Sains Dan Komunikasi alami sebelumnya telah mengamati gelombang cahaya terbatas yang disebut polariton plasmon hiperbolik yang merambat melalui kristal. Percobaan ini menunjukkan bahwa MoOCl2 dapat memandu cahaya dengan cara yang sangat terarah dan tidak terduga.
Namun, ada bagian penting dari teka-teki itu yang masih hilang. Para ilmuwan dapat mengamati efek optik, namun mereka tidak secara langsung mengukur semua konstanta optik material. Tanpa langkah-langkah ini, merancang perangkat praktis berbasis kristal akan jauh lebih sulit.
Memetakan sifat optik kristal
Penelitian baru ini memberikan pengukuran yang hilang ini.
Para peneliti menemukan bahwa di dekat 512 nanometer di wilayah hijau spektrum tampak, komponen respons optik kristal mendekati nol. Konkritnya, hal ini dapat mengintensifkan medan listrik di dalam material dan memperlambat cahaya, mengemas energi elektromagnetik ke dalam volume yang sangat kecil dan menstimulasi interaksi materi cahaya.
Fenomena ini dikenal sebagai titik epsilon mendekati nol (ENZ) dalam cahaya tampak. Meskipun banyak material yang menunjukkan perilaku ENZ hanya di wilayah ultraviolet dalam atau inframerah tengah, MoOCl2 mencapai keadaan ini dalam spektrum tampak. Hal ini sangat penting karena banyak teknologi yang ada, termasuk laser, mikroskop, kamera, dan sistem deteksi, sudah dapat digunakan di bidang ini.
“Mengamati suatu fenomena adalah langkah pertama, namun rekayasa memerlukan angka yang tepat,” kata Dr. Valentyn Volkov, pendiri dan CTO XPANCEO dan penulis studi tersebut. “Dengan mengukur secara ketat tensor dielektrik penuh MoOCl2pekerjaan kami memberikan dasar eksperimental yang diperlukan untuk memahami mengapa material ini berperilaku seperti itu dan untuk merancangnya dengan lebih percaya diri. Hal ini menjadikannya hasil ilmiah yang berharga di bidang ini, dengan kemungkinan relevansi dengan optik polarisasi kompak, perangkat nonlinier, dan, dalam jangka panjang, sistem terintegrasi yang sangat mini, termasuk lensa kontak pintar. »
Menyusut perangkat keras optik masa depan
Peta optik terperinci juga menyoroti potensi material untuk miniaturisasi teknologi optik lebih lanjut.
Karena anisotropi strukturalnya yang kuat, MoOCl2 berfungsi sebagai media hiperbolik alami. Sederhananya, hal ini memungkinkan cahaya merambat melalui kristal dalam jalur skala nano yang sangat terarah tanpa difraksi (atau hamburan), yang merupakan persyaratan penting untuk membangun sirkuit optik yang lebih kecil.
Kemampuannya untuk beroperasi dalam spektrum tampak semakin memperkuat daya tariknya terhadap chip fotonik terintegrasi, di mana cahaya harus disalurkan, disaring, dan dikonsentrasikan ke ruang yang sangat kecil.
Para peneliti menyebutkan beberapa kemungkinan penerapan. Ini termasuk polarisasi broadband ultra tipis yang mengontrol arah cahaya dalam sistem optik kompak, serta pandu gelombang subdifraksi yang mampu mengarahkan cahaya melalui ruang yang lebih kecil daripada yang diperbolehkan oleh optik konvensional.
Hasilnya juga menunjukkan peluang dalam nanofotonik nonlinier, di mana interaksi materi cahaya yang intens dapat digunakan untuk menciptakan warna cahaya baru atau memproses sinyal optik dengan lebih efisien.
