Molybdæn disulfid indleder i en æra af post-silicium fotonik

Forskere fra Center for Fotonik og Todimensionelle Materialer ved MIPT, sammen med deres kolleger fra Spanien, Storbritanien, Sverige, og Singapore, herunder medstifter af verdens første 2-D-materiale og nobelpristager Konstantin Novoselov, har målt kæmpe optisk anisotropi i lagdelt molybdendisulfidkrystaller for første gang. Forskerne foreslår, at sådanne overgangsmetal-dichalcogenid-krystaller vil erstatte silicium i fotonik. Dobbeltbrydning med en kæmpe forskel i brydningsindekser, karakteristiske for disse stoffer, vil gøre det muligt at udvikle hurtigere, men bittesmå optiske enheder. Værket er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

De skandinaviske vikinger var de første, blandt andre, at observere polariserende effekter i optik. De opdagede, at objekter så ud til at være fordoblet, når de blev set gennem Islands spar (klar kalcit). Det fænomen blev senere kaldt dobbeltbrydning. Effekten skyldes det asymmetriske arrangement af atomer i nogle materialer. Som resultat, en lysstråle brydes forskelligt i materialet, afhængigt af den retning, den udbreder sig i, opdeling i to lineært polariserede stråler (de almindelige og ekstraordinære) og skabe et dobbelt billede.

Det viser sig, at fænomenet dobbeltbrydning er meget praktisk. For eksempel, vikingerne brugte dobbelt brydning af nogle krystaller til navigation. Nutidens flydende krystalskærme bruger dobbeltbrydningseffekten i flydende krystaller til at skabe billeder. Fænomenet bruges også til at bygge polarisatorer, bølge plader, og andre optiske komponenter. Det er ønskeligt, at brydningsindekserne for almindelige og ekstraordinære stråler adskiller sig så meget som muligt - så kan den ønskede effekt opnås, når lys passerer gennem en tyndere plade, dermed hjælpe med at reducere størrelsen af ​​enheden, og i nogle applikationer, øge hastigheden. Forskere har for nylig demonstreret muligheden for at bygge ultrakompakte bølgeledere med anisotrope materialer for at nå og endda overvinde diffraktionsgrænsen.

Effekten kræver materialer med en dobbeltbrydningsværdi større end 1. Indtil videre BaTiS ₃ perovskit lagdelte krystaller og det hexagonale bornitrid h-BN har holdt rekorden for dobbeltbrydning (0,8). Ønsket om at gøre moderne optik mere og mere kompakt har stimuleret søgen efter naturlige materialer med enorm optisk anisotropi større end 1. Overgangsmetal-dichalcogenider er yderst lovende i denne henseende. Disse forbindelser baseret på svovl, selen, tellurium, og 3d-elementer i Mendeleevs periodiske system har en lagdelt struktur. For eksempel, molybdendisulfid (MoS ₂ ) består af vekslende lag roteret i forhold til hinanden 180 grader og holdt sammen af ​​svage van der Waals-kræfter (figur 1).

"Fra opgaven med at måle molybdendisulfids optiske egenskaber, vi er nået til et helt andet problem - nemlig at studere anisotropi og finde lovende anvendelser af sådanne krystallers anisotropi i fotonik, "Georgy Ermolaev, Ph.D. studerende ved MIPT og første forfatter til undersøgelsen, siger.

Denne anisotrope struktur kunne ikke andet end at påvirke materialets optiske egenskaber. Denne kendsgerning var kendt allerede i anden halvdel af det tyvende århundrede. Imidlertid, kvantitative målinger af anisotropien var ikke-eksisterende. Det skyldtes, blandt andet, til betydelige eksperimentelle vanskeligheder. For at overvinde dem, forskerne kombinerede metoder til nære og fjerne elektriske felter. Med andre ord, ud over at bestråle materialet i forskellige vinkler og detektere signalet, forfatterne studerede udbredelsen af ​​bølgeleder -tilstande i materialet. Denne tilgang gjorde det muligt for dem entydigt at bestemme materialets dobbeltbrydning, hvilket er 1,5 i det nær-infrarøde og op til tre gange i det synlige område. Disse værdier er flere gange større end tidligere rekordbrydere.

"Vi brugte en kombination af teknikker-spektral ellipsometri og nærfelt optisk mikroskopi og verificerede vores data med numeriske beregninger. Arbejdet krævede en indsats fra et stort antal forskere fra forskellige videnskabelige teams i forskellige lande og med forskellige kompetencer. For alle os, dette arbejde var begyndelsen på storstilet forskning i anisotropisk overgangsmetal dichalcogenides nanophotonics, " kommenterede Aleksey Arsenin, en førende forsker ved MIPT.

De opnåede data blev sammenlignet med kvanteberegninger, hvilken, til forskernes overraskelse, produceret nøjagtig det samme resultat, bekræfter således rigtigheden af ​​den konstruerede kvantemekaniske model af lagdelte materialer og antyder, at teorien og konklusionerne offentliggjort i artiklen er gældende for hele klassen af ​​overgangsmetal-dichalcogenider.

Forskerne har fuldstændig genopdaget for verden en klasse af materialer med enorm optisk anisotropi. Opdagelsen giver en ekstra grad af frihed i udviklingen af ​​kompakte fotoniske enheder og. For eksempel, det gør det muligt at nå diffraktionsgrænsen i optik til bølgeledende systemer med karakteristiske dimensioner på cirka 100 nanometer.

Arbejdet blev ledet af professor Valentyn Volkov. Han flyttede fra Syddansk Universitet til MIPT i september 2019 for at lede Center for Fotonik og Todimensionelle Materialer. "Mens vi tidligere var begrænset til ændringer i geometri og effektivt brydningsindeks for at skabe nye optiske kredsløb og enheder, kæmpe anisotropi giver en ekstra grad af frihed til at manipulere lys, " siger Volkov. "Uventet, vi fandt ud af, at naturligt anisotrope materialer gør os i stand til at bygge kompakte bølgeledere bogstaveligt talt på kanten af ​​diffraktionsgrænsen. Det giver os en mulighed for at konkurrere med siliciumfotonik. Nu kan vi roligt ikke kun tale om post-silicium fotonik, men også implementere det. "