来源：José Tadeu Arantes, FAPESP，Stephanie Baum编辑，Robert Egan审校；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 马宁伟 编译

    一种由原子级薄层碘化铅（PbI₂）构成的二维层状晶体，有望用于制造新一代电路，这类电路利用光和机械振动（而非电子）在太赫兹频率范围内传输信息。

    巴西能源与材料研究中心（CNPEM）的研究人员与法国里尔大学及其他国际机构的同事合作，针对该技术展开研究，相关成果已发表于《自然・通讯》（Nature Communications）期刊。

    太赫兹波段对应电磁光谱中位于红外和微波之间的低能区域。尽管如此，它被认为对开发高速通信技术至关重要。

    “如今，Wi-Fi和5G在几个GHz（GHz，10⁹Hz）的频率下运行。但人们有兴趣向数百吉赫兹甚至太赫兹（THz，10¹²Hz）迈进，因为频率越高，带宽和数据传输能力就越大，”该研究的协调员、巴西同步辐射光源实验室（LNLS-CNPEM）Imbuia光束线负责人Raul de Oliveira Freitas表示。

    该研究探索了如何使用碘化铅（一种低成本材料）制造出高质量层状晶体，使其能够作为该频率范围内辐射的波导。

    该平台可用作谐振器，通过放大某些振荡模式来限制光线并选择特定频率；也可用作分束器，将一束光分成两条或多条路径，从而分配光信号；或用作调制器，改变光的强度、相位或频率等属性，以编码信息。

    这项工作的最具创新性之处在于能够将光限制在远小于其波长的体积内。

    “在太赫兹波段，光的波长为数百微米。我们所做的是将这种光限制在亚微米区域内，”Freitas解释道。

    这得益于声子-极化子的形成，这是一种混合准粒子，结合了晶格中原子的振动（声子）与光。

    “就好像声子穿上了光的外衣，形成了一种具有独特性质的准粒子。这些准粒子的传播特性和与物质的相互作用，既不同于孤立的光，也不同于孤立的声子，”这位研究人员评论道。

    光的极端限制涉及在衍射极限之外工作，而衍射极限限制了传统光学系统的分辨率。

    “在经典光学中，无法观察或操纵远小于光波长的结构。借助极化子，我们成功超越了这一极限，”Freitas说。

    为了实现这一点，研究人员使用了散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM），该技术利用纳米级金属尖端将电磁场极端压缩。

    “尖端充当天线，形成一个尺寸在几十纳米量级的电场热点，与原始波长无关。这使得光的空间尺度得以急剧减小，”Freitas说。

    “此外，s-SNOM探针中的电场密度比自由波中高达10⁵倍，这解释了该技术在纳米光子学研究中的优越性。我们成功地将一个200微米的波限制在小于50纳米的体积内。”

    该研究的另一个关键发现是PbI₂中声子-极化子的高品质因子。品质因子是衡量振荡在耗散前持续时间的指标。

    “系统振荡的时间越长，品质因子越高。PbI₂的表现与六方氮化硼（hBN）相当，而hBN是红外波段的参考材料，”Freitas说。

    一种简单且可持续的替代材料

    六方氮化硼是一种极其难以合成的材料，需要极端的高压和高温条件。即使经过二十多年的研究，全球也仅有少数团队能够掌握高质量生产这种材料的技术。此外，它的特性使其适用于中红外波段，而非太赫兹波段。

    相比之下，碘化铅有两种廉价且天然存在的前驱体：碘和铅。它也可以极其简单的方式结晶。

    “只需将盐溶解在水中直到获得过饱和溶液，然后加热到约80°C——这可以在家用炉灶上完成。在冷却过程中，材料结晶，形成可以收集的结构，”研究人员说。

    在纳米尺度上操控光的技术为集成光子电路铺平了道路，这类电路有望取代或补充传统电子电路。

    “目前，信息通过电子在设备内部传输。使用光信号可以大幅提高传输速度并减少损耗。这与通信领域发生的情况类似，”Freitas说。

    “过去我们使用电缆；今天我们使用光纤，传输速率实现质的飞跃。同样的原理可以应用于芯片内部。而且，除了速度更快外，还能节能：光的损耗远小于电流。这可以带来更高效、更可持续的解决方案。”

    碘化铅在另一个战略领域也具有相关性：基于钙钛矿的技术。钙钛矿是具有ABX₃型特定晶体结构的材料。在这种结构中，A是较大的阳离子（有机或无机），B是较小的金属阳离子，X是阴离子（通常是卤素，如I⁻、Br⁻或Cl⁻）。

    由于这类材料在光吸收和转换方面的高效率，被广泛用于太阳能电池和光电器件。因此，目前与钙钛矿相关的研究呈爆炸式增长。

    由于PbI₂是常见的钙钛矿前驱体，研究其性质有助于解析长期困扰学界的钙钛矿衰减机理。

    这项工作的成果还包括在CNPEM建立新的实验基础设施。

    “我们已经在Sirius同步加速器光源运行一个名为Imbuia的红外纳米光谱站。现在我们正在建立专门用于太赫兹的Tatu线。这条新线将使我们能够探索具有与碘化铅类似性质的一大类材料。这将是一个独一无二的设施，能够研究这些材料在不同频率下的性能表现。”Freitas强调说。

    尽管这项研究仍处于基础科研阶段，但为信息传输乃至未来信息处理领域开辟了广阔的技术前景。

    “科学界的期望是让光电路在日常电子设备中越来越普及，”Freitas总结道。

    发布详情
    Cristiane N. Santos 等人，层状碘化铅中的高品质因子太赫兹声子-极化子，《自然•通讯》（2026）。DOI: 10.1038/s41467-026-69027-6

    期刊信息：《自然•通讯》