Найден материал, который поможет заменить кремний в фотонике — Naked Science
11 февраля
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.
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.
Вчера, 20:38
Илья Ведмеденко

Российские судостроители спустили на воду головное скоростное пассажирское судно на подводных крыльях «Метеор 120Р». Предполагается, что оно ни в чем не уступает зарубежным аналогам.

3 часа назад
Мария Азарова

Канадские ученые выяснили, что у больных с коронавирусом значительно повышен уровень белка галектина-9 в плазме крови. Они также обнаружили корреляцию между концентрациями Gal-9 и провоспалительными цитокинами, высвобождение которых приводит к цитокиновому шторму.

Позавчера, 14:34
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

1 августа
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

Позавчера, 14:34
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

1 августа
Александр Березин

СМИ всего мира принялись рассказывать, что новые штаммы возникли из-за ослабления ограничений, снятия масок, а то и под воздействием вакцин. Якобы те оказали эволюционное давление, заставляющее вирус обходить вакцинную защиту. Увы, реальная биология указывает на совсем иную — и более устрашающую — картину. Разбираемся в деталях.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: