Найден материал, который поможет заменить кремний в фотонике — Naked Science
11 минут
ФизТех

Найден материал, который поможет заменить кремний в фотонике

4.9

Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с зарубежными коллегами из Испании, Великобритании, Швеции и Сингапура включая первооткрывателя двумерных материалов и нобелевского лауреата Константина Новосёлова впервые измерили гигантскую оптическую анизотропию в слоистых кристаллах дисульфида молибдена. Ученые предполагают, что подобные кристаллы дихалькогенидов переходных металлов придут на смену кремнию в фотонике. Двулучепреломление с гигантской разницей в коэффициентах преломления, свойственное этим веществам, позволит создать более быстродействующие и при этом миниатюрные оптические устройства.

Исландский шпат / ©Каталог минералов

Работа опубликована в журнале Nature Communications. Одними из первых на поляризационные эффекты в оптике обратили внимание еще скандинавские викинги. Они обнаружили, что при просмотре сквозь исландский шпат изображение удваивается, что впоследствии получило название двулучепреломления. Этот эффект связан с тем, что расположение атомов в некоторых материалах несимметрично.

Как результат, в зависимости от направления распространения света он по-разному преломляется в материале, что и приводит к раздвоению изображения. Показатель преломления для одного луча остается постоянным, и этот луч называют обыкновенным, а для второго — необыкновенного — он зависит от угла падения света.

Оказывается, это явление очень полезно на практике. Например, викинги использовали его для навигации, а современные жидкокристаллические мониторы используют эффект двулучепреломления в жидких кристаллах для создания изображения. Этот эффект также используется для создания поляризаторов, волновых пластинок и других оптических компонентов.

При этом желательно, чтобы показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей различались как можно больше — тогда желаемого эффекта можно добиться при прохождении света через пластинку меньшей толщины, что позволит уменьшить размеры устройства, а в ряде приложений и увеличить его быстродействие. Недавно ученые продемонстрировали возможность создания ультракомпактных волноводов на основе анизотропных материалов, позволяющих достигнуть и даже преодолеть дифракционный предел. Для достижения этого эффекта требуются материалы со значением двулучепреломления больше единицы.

До настоящего времени рекордным значением двулучепреломления (0,8) обладали слоистые кристаллы перовскита BaTiS3 и гексагональный нитрид бора h-BN. Желание сделать современную оптику все более и более компактной стимулировало поиск природных материалов, обладающих гигантской оптической анизотропией, превышающей единицу. Крайне перспективны в этом отношении дихалькогениды переходных металлов. Эти соединения на основе серы, селена, теллура и 3d-элементов периодической таблицы Дмитрия Менделеева обладают слоистой структурой. Так, дисульфид молибдена (MoS2) состоит из чередующихся слоев, повернутых друг относительно друга на 180 градусов, которые удерживаются слабыми силами Ван-дер-Ваальса (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема строения дисульфида молибдена / ©Nature Communications

«От задачи измерения оптических свойств дисульфида молибдена мы пришли к совершенной иной задаче — собственно, к изучению анизотропии и поиску перспективных применений анизотропии таких кристаллов в фотонике», — объясняет мотивацию авторов Георгий Ермолаев, аспирант МФТИ и первый автор исследования. Такое анизотропное строение не могло сказаться на оптических свойствах материала. Это было известно еще во второй половине двадцатого столетия. Тем не менее количественные измерения анизотропии отсутствовали.

Это в том числе связано со значительными экспериментальными трудностями. Для их преодоления исследователи скомбинировали методы ближних и дальних электрических полей. Другими словами, помимо привычного облучения вещества под разными углами и детектирования сигнала, авторы исследования изучали распространение волноводных мод в материале, что позволило однозначно определить двулучепреломление материала, которое в ближнем инфракрасном диапазоне составило 1,5, а в видимом достигает трех. Эти величины в несколько раз превышают значения предыдущих рекордсменов.

«Мы использовали комбинацию методов — спектральную элипсометрию, ближнепольную оптическую микроскопию и верифицировали наши данные численными расчетами. Работа потребовала приложения усилий большого числа ученых из различных научных групп из разных стран с разными компетенциями. Для всех нас эта работа стала началом масштабных исследований по созданию анизотропной нанофотоники на дихалькогенидах переходных металлов», — комментирует Алексей Арсенин, ведущий научный сотрудник МФТИ.

Полученные данные сравнивались с квантовыми расчетами, которые, к удивлению ученых, показали абсолютно тот же результат. Это подтвердило правильность построенной квантомеханической модели слоистых материалов и дает основание полагать, что теория и выводы, опубликованные в статье, применимы для всего класса дихалькогенидов переходных металлов.

Валентин Волков, руководитель исследования в лаборатории / ©Наталья Арефьева

Ученые совершенно по-новому открыли миру хорошо известный, как казалось ранее, класс материалов, обладающих огромной оптической анизотропией. Это открытие дает дополнительную степень свободы при разработке компактных фотонных устройств и, например, позволяет достичь дифракционного предела в оптике для волноведущих систем с характерными размерами около 100 нанометров.

Работа выполнена под руководством профессора Валентина Волкова, который в сентябре 2019 года переехал из Университета Южной Дании в МФТИ, где возглавил Центр фотоники и двумерных материалов. «Если ранее для создания новых оптических схем и устройств мы ограничивались изменениями геометрии и эффективного показателя преломления, то гигантская анизотропия дает дополнительную степень свободы для манипулирования светом, — говорит он.

— Неожиданно для нас оказалось, что природные анизотропные материалы позволяют создавать компактные волноводы буквально на грани дифракционного предела. Это дает нам возможность конкурировать с кремниевой фотоникой, и теперь мы смело можем не только говорить о посткремниевой фотонике, но и реализовывать ее на практике».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
212 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
6 часов назад
6 минут
РНФ

Российские исследователи изучили регенеративные свойства эндометрия — слизистой оболочки, которая покрывает внутреннюю часть матки. Они нашли компонент, который не дает образовываться рубцовой ткани и сохраняет функциональность органов. В будущем это поможет в предотвращении рубцов и восстановлении функций и эластичности тканей.

Вчера, 21:06
5 минут
Мария Кривоченко

Им удалось найти среду, где вырабатываются новые костные и иммунные клетки. Оказалось, для поддержания этой среды необходимо постоянное движение, например регулярные тренировки.

Вчера, 20:10
8 минут
Мария Азарова

Американский ученый взялся понять, на чем основан стереотип об атеистах как аморальных людях, и узнать, чем их моральные ценности отличаются от таковых у верующих.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

22 февраля
5 минут
Илья Ведмеденко

Новое видео демонстрирует использование новейшего российского разведывательно-ударного БПЛА «Орион» на территории Сирии. Ранее этот комплекс приняли на вооружение.

27 января
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: