2026年5月4日——一种由原子级厚度的碘化铅（PbI₂）薄层构成的二维层状晶体，可用于制造新一代电路，这些电路利用光与机械振动（而非电子）在太赫兹频率范围内传输信息。

这项前景广阔的技术由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研究，成果发表在《自然·通讯》上。

太赫兹波段对应于电磁波谱中位于红外线与微波之间的低能区域。尽管如此，它被认为对发展高速通信技术至关重要。该研究协调人、巴西同步辐射光源实验室（LNLS-CNPE）的“Imbuia”光束线负责人劳尔·德奥利维拉·弗雷塔斯（音译）表示：“如今，Wi-Fi和5G在几吉赫兹（GHz，10?赫兹）的频率下运行。但人们有兴趣向数百吉赫兹甚至太赫兹（10??赫兹）发展，因为频率越高，带宽和数据传输容量就越大。”

该研究探讨了如何利用碘化铅这种廉价材料，制造一种高质量层状晶体，使其能作为该频率范围辐射的波导。这种平台可以用作谐振器，通过放大特定振荡模式来限制光并选择特定频率；也可以用作分束器，将一束光分成两路或多路以分配光信号；或者用作调制器，改变光的强度、相位或频率等属性以编码信息。

这项工作中最具创新性的方面是能够将光限制在远小于其波长的体积内。弗雷塔斯解释道：“在太赫兹范围内，光的波长有数百微米。我们做的是将这种光限制在亚微米区域内。”

这是通过形成声子极化激元实现的，这是一种将晶格原子振动（声子）与光结合的混合准粒子。这位研究人员评论道：“就好像声子被光包裹，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以及与物质的相互作用，与孤立的光和孤立的声子都不同。”

光的极端限制涉及在衍射极限之外操作，这限制了传统光学系统的分辨率。弗雷塔斯说：“在经典光学中，不可能观察或操纵远小于光波长的结构。有了极化激元，我们成功克服了这一极限。”

为了实现这一点，研究人员使用了散射型近场光学扫描显微镜（s-SNOM），这是一种利用纳米级金属尖端极度压缩电磁场的技术。弗雷塔斯说：“尖端充当天线，产生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大幅减小。此外，s-SNOM探针中的电场密度比自由波高出高达10?倍，这解释了该技术在纳米光子学研究中的优越性。我们成功将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?中声子极化激元的高品质因子。品质因子是衡量振荡在消散前持续时间的指标。弗雷塔斯说：“系统振荡时间越长，品质因子越高。PbI₂的表现与六方氮化硼（hBN）相当，后者是红外波段的参考材料。”

一种简单且可持续的替代材料

与碘化铅不同，六方氮化硼（hBN）是一种极难合成的材料，需要极端压力和温度条件。即使在二十多年的研究之后，全球也只有少数团队掌握了高质量生产这种材料的方法。此外，其特性使其适用于中红外波段，而非太赫兹波段。

另一方面，碘化铅有两种廉价且天然存在的前驱体：碘和铅。它还可以通过极其简单的方式结晶。该研究人员说：“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——这在家庭炉灶上就能完成。在冷却过程中，材料结晶，形成可以收集的结构。”

在纳米尺度上操控光的能力为集成光子电路铺平了道路，这些电路能够取代或补充电子电路。弗雷塔斯认为：“目前，设备内部通过电子传输信息。使用光可以大幅提高速度并减少损耗。这类似于电信领域发生的情况。以前我们使用电缆；今天我们使用光纤，它允许更高的速度。同样的原理可以应用于芯片内部。而且，除了更高的速度，还能节省能源：光比电流遭受的损失要小得多。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。钙钛矿是具有特定ABX?型晶体结构的材料。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?）。由于其在光吸收和转换方面的高效率，这类材料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，研究其特性有助于解释钙钛矿的降解机制，这一直困扰许多研究人员。

这项工作的成果包括在CNPEM实施新的实验基础设施。弗雷塔斯强调：“我们已经在Sirius运行了一个名为Imbuia的红外纳米光谱站。我们现在正在建立Tatu线，专门用于太赫兹研究。这条新线将使我们能够探索一类具有与碘化铅类似特性的广泛材料。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行为。FAPESP的大力支持对此至关重要。”

尽管该研究仍处于基础科学阶段，但它指向了与传输以及最终信息处理相关的广阔技术前景。弗雷塔斯总结道：“科学界的期望是让光电路越来越多地出现在日常设备中。”