Vuosien ajan huippututkijat ovat haaveilleet atominohuiden van der Waals (vdW) -materiaalien hyödyntämisestä fotoniikkasirujen rakentamiseen. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat kansainvälisen tutkijajoukon kanssa löytäneet keinon, jolla herkkiä materiaaleja voidaan muokata ilman vaurioita ja tuottaa entistä parempaa fotoniikkaa.
Materiaalit koostuvat vain yhden tai muutaman atomikerroksen paksuisista, heikosti toisiinsa sitoutuneista kerroksista, ja niitä voidaan pinota kerros kerrokselta ja muokata erittäin tarkasti. Tämä mahdollistaa ratkaisuja, joihin perinteiset teknologiat eivät pysty.
Nyt kansainvälinen tutkimusryhmä, jossa on mukana Aalto-yliopiston tutkijoita, on onnistunut ylittämään tämän esteen luomalla ikään kuin haarniskan suojaamaan hauraita materiaaleja. Ns. “nanoskaalan kirurgiaksi” kutsutulla menetelmällä materiaaleja voidaan muokata ilman vaurioita – ja samalla saavuttaa ennätyksellinen suorituskyky.
Uusi löydös avaa tutkijoiden mukaan tien kohti nopeampia ja energiatehokkaampia siruja, joita voidaan hyödyntää esimerkiksi fotoniikka- ja kvanttilaitteiden rakennusmateriaalina. Tiedejulkaisu Nature Materialsissa esitelty tutkimustyö on edistysaskel vdW-materiaalien hyödyntämisessä fotoniikka- ja kvanttilaitteissa.
Uutuusmateriaalit ovat herättäneet Grafeenin löytymisen jälkeen vdW kiinnostusta poikkeuksellisten optisten ja elektronisten ominaisuuksiensa.
“Valtavasta potentiaalista huolimatta vdW-materiaalien käyttäminen rakennuspalikoina on ollut suuri haaste. Tavanomaiset valmistusmenetelmät ovat yksinkertaisesti liian rajuja”, sanoo Aalto-yliopiston tutkija Xiaoqi Cui.
Hänen mukaan perinteiset nanotyöskentelyn menetelmät, kuten fokusoitu ionisuihkulitografia voivat vaurioittaa kiderakennetta tai vääristää valon tehokkaaseen vangitsemiseen tarvittavia rakenteita.
Tämän ratkaisemiseksi tutkijajoukko kesksi yksinkertaisen mutta tehokkaan idean: ennen vdW-materiaalin työstöä he päällystivät sen ohuella alumiinikerroksella, joka toimii väliaikaisena suojakilpenä. “Tämä alumiinikerros toimii kuin mikroskooppinen haarniska. Se ottaa vastaan ionisuihkun tuhoavan iskun ja antaa meidän muotoilla materiaalia alle sadan nanometrin tarkkuudella säilyttäen kuitenkin samalla sen kiteisen laadun”, kertoo Aallon tutkija Andreas Liapis.
Kansainvälinen tutkijaryhmä loi myös uuden menetelmällä erittäin sileitä vdW-mikrolevyjä, pieniä pyöreitä rakenteita, jotka toimivat valon ansoina. Näissä mikroskooppisissa kiekoissa valo voi kiertää yhä uudelleen ja uudelleen – erittäin vähäisin häviöin: jokaisella kierroksella katoaa vain noin yksi miljoonasosa valosta. Käytännössä valo voi jatkaa kiertämistä kiekon sisällä miljoonia kertoja ennen kuin se hiipuu merkittävästi.
“Suorituskyky on tuhatkertainen aiempiin vdW-resonaattorijärjestelmiin verrattuna, mikä merkitsee merkittävää läpimurtoa alalla”, toteaa Aalto-yliopiston professori Zhipei Sun.
Yhdistämällä vdW-materiaalien luontaisesti vahvan epälineaarisuuden ja korkean optisen resonanssin työ ratkaisee yhden alan keskeisistä pullonkauloista. Tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia uudelleenkonfiguroitaville fotonisille piireille, kvanttivalon lähteille sekä erittäin herkille optisille antureille , jotka voidaan integroida suoraan sirulle ilman ongelmia.
Lisää: Nature Materials: All-van der Waals microcavities for low-loss nonlinear photonics, Nature Materials 13.4.2026 (LINKKI).
Kuvassa Aaltoyliopiston tutkijat Xu Cheng (vas.) ja Jingnan Yang (oik.) pitelevät pienenpientä sirua, jonka suurennus näkyy heidän taustallaan olevassa monitorissa. Kuva otettu OtaNano-tutkimusinfrastruktuurissa Otaniemessä.