Undersøgelse viser, at ultratynde todimensionelle materialer kan rotere polariseringen af ​​synligt lys

Det har været kendt i århundreder, at lys udviser bølgelignende adfærd i visse situationer. Nogle materialer er i stand til at rotere polarisationen, altså oscillationsretningen, af lysbølgen, når lyset passerer gennem materialet. Denne egenskab bruges i en central komponent i optiske kommunikationsnetværk kendt som en "optisk isolator" eller "optisk diode". Denne komponent tillader lys at forplante sig i den ene retning, men blokerer alt lys i den anden retning.

I en nylig undersøgelse har tyske og indiske fysikere vist, at ultratynde todimensionelle materialer som wolframdiselenid kan rotere polariseringen af ​​synligt lys med flere grader ved bestemte bølgelængder under små magnetiske felter, der er egnede til brug på chips. Forskerne fra University of Münster, Tyskland og Indian Institute of Science Education and Research (IISER) i Pune, Indien, har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature Communications.

Et af problemerne med konventionelle optiske isolatorer er, at de er ret store med størrelser på mellem flere millimeter og flere centimeter. Som følge heraf har forskere endnu ikke været i stand til at skabe miniaturiserede integrerede optiske systemer på en chip, der kan sammenlignes med hverdagens siliciumbaserede elektroniske teknologier. Nuværende integrerede optiske chips består kun af nogle få hundrede elementer på en chip.

Til sammenligning indeholder en computerprocessorchip mange milliarder koblingselementer. Det tysk-indiske teams arbejde er derfor et skridt fremad i udviklingen af ​​miniaturiserede optiske isolatorer. De 2D-materialer, som forskerne bruger, er kun nogle få atomlag tykke og derfor hundrede tusinde gange tyndere end et menneskehår.

"I fremtiden kan todimensionelle materialer blive kernen i optiske isolatorer og muliggøre on-chip integration til nutidens optiske og fremtidige kvanteoptiske databehandlings- og kommunikationsteknologier," siger professor Rudolf Bratschitsch fra University of Münster.

Prof Ashish Arora fra IISER tilføjer:"Selv de omfangsrige magneter, som også er nødvendige for optiske isolatorer, kunne erstattes af atomisk tynde 2D-magneter." Dette ville drastisk reducere størrelsen af ​​fotoniske integrerede kredsløb.

Holdet dechiffrerede den mekanisme, der var ansvarlig for den effekt, de fandt:Bundne elektron-hul-par, såkaldte excitoner, i 2D-halvledere roterer polariseringen af ​​lyset meget kraftigt, når det ultratynde materiale placeres i et lille magnetfelt.

Ifølge Arora, "at udføre sådanne følsomme eksperimenter på todimensionelle materialer er ikke let, fordi prøveområderne er meget små." Forskerne skulle udvikle en ny måleteknik, der er omkring 1.000 gange hurtigere end tidligere metoder.

Flere oplysninger: Benjamin Carey et al., Giant Faraday-rotation i atomisk tynde halvledere, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47294-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Münster