“Het potentieel om de kwantumeigenschappen van materialen te benutten, voorspelt een toekomst waarin fotonische geïntegreerde schakelingen de grenzen van snelheid en efficiëntie in communicatietechnologieën wereldwijd herdefiniëren.” In Zwitserland hebben onderzoekers een belangrijke stap voorwaarts gezet in de opto-elektronica.
Een team van MARVEL heeft in samenwerking met Lumiphase, ETH Zürich en EPFL Lausanne een nieuw computationeel raamwerk ontwikkeld voor het simuleren van de opto-elektronische kenmerken van tetragonaal bariumtitanaat (BTO). Dit ferro-elektrische perovskietmateriaal is een veelbelovend alternatief voor silicium voor de volgende generatie fotonische apparaten vanwege zijn superieure optische functionaliteiten.
Het nieuwe raamwerk, gepubliceerd in Physical Review B, biedt een functie-onafhankelijke benadering voor het modelleren van het Pockels-effect in BTO. Dit effect, cruciaal voor het moduleren van lichtsignalen, maakt dynamische controle van de brekingsindex van een materiaal mogelijk wanneer het wordt blootgesteld aan een elektrisch veld. De bevindingen van het team hebben belangrijke implicaties voor de telecommunicatie- en computerindustrie.
De verbeterde BTO-gebaseerde fotonische apparaten beloven snellere dataoverdrachtsnelheden, een lager stroomverbruik en kleinere vormfactoren. Door de relatie tussen de positionering van titaniumatomen en de Pockels-coëfficiënt te begrijpen, kunnen onderzoekers het materiaal optimaliseren voor apparaatverkleining. Dit is cruciaal voor schaalbare industriële toepassingen waar ruimte en energie-efficiëntie van het grootste belang zijn.
Het team overwon uitdagingen zoals imaginaire fononfrequenties door supercellen te construeren en opzettelijke off-centering verplaatsingen van titaniumatomen in het rooster te introduceren. Deze modificatie bracht het computationele model dichter bij experimentele gegevens, wat duidt op een stabiele structuur. Het onderzoek werd ondersteund door het Zwitserse innovatieagentschap Innosuisse.
Het ontwikkelde raamwerk schept een precedent voor materiaalmodellering met zowel precisie als schaalbaarheid. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het verkennen van frequentie-afhankelijke effecten van het Pockels-fenomeen. Dit zal het theoretische begrip verdiepen en de praktische mogelijkheden uitbreiden voor BTO-apparaten die onder verschillende omstandigheden werken.