Стремясь уменьшить размеры и усовершенствовать технологии управления светом, исследователи из Массачусетского технологического института представили новую платформу, которая расширяет границы современной оптики за счёт нанофотоники — управления светом на наноуровне, то есть на миллиардных долях метра.
В результате появился класс ультракомпактных оптических устройств, которые не только меньше и эффективнее существующих технологий, но и могут динамически настраиваться или переключаться с одного оптического режима на другой. До сих пор в нанофотонике такое сочетание было недостижимым.
В нанофотонике традиционно используются такие материалы, как кремний, нитрид кремния или диоксид титана. Это строительные блоки устройств, которые направляют и удерживают свет с помощью таких структур, как волноводы, резонаторы и фотонные кристаллы. Последние представляют собой периодические структуры из материалов, которые управляют распространением света подобно тому, как полупроводниковый кристалл влияет на движение электронов.
Несмотря на высокую эффективность, эти материалы имеют два существенных недостатка. Первый связан с их показателями преломления. Это показатель того, насколько сильно материал взаимодействует со светом. Чем выше показатель преломления, тем сильнее материал «захватывает» свет или взаимодействует с ним, сильнее его преломляя и замедляя. Показатели преломления кремния и других традиционных нанофотонных материалов зачастую невелики, что ограничивает возможности по удержанию света и созданию небольших оптических устройств.
Второе серьёзное ограничение традиционных нанофотонных материалов: после создания структуры её оптические свойства практически не меняются. Как правило, невозможно существенно изменить её реакцию на свет без физического вмешательства. «Возможность настройки необходима для многих приложений в области фотоники нового поколения, таких как адаптивная визуализация, высокоточное зондирование, реконфигурируемые источники света и обучаемые оптические нейронные сети», — считает Сачин Вайдья, постдок Исследовательской лаборатории электроники (RLE) Массачусетского технологического института.
Это давние проблемы, которые может решить бромид сульфида хрома (CrSBr). CrSBr — это слоистый квантовый материал с редким сочетанием магнитного порядка и сильного оптического отклика. В основе его уникальных оптических свойств лежат экситоны: квазичастицы, которые образуются, когда материал поглощает свет и электрон возбуждается, оставляя после себя положительно заряженную «дырку». Электрон и дырка остаются связанными друг с другом за счёт электростатического притяжения, образуя своего рода нейтральную частицу, которая может сильно взаимодействовать со светом.
В CrSBr экситоны доминируют в оптическом отклике и обладают высокой чувствительностью к магнитным полям, а значит, ими можно управлять с помощью внешних элементов управления.
Благодаря этим экситонам CrSBr обладает исключительно высоким показателем преломления, что позволяет исследователям создавать из этого материала оптические структуры, такие как фотонные кристаллы, которые на порядок тоньше тех, что сделаны из традиционных материалов. «Мы можем создавать оптические структуры толщиной всего 6 нанометров, или всего семь слоёв атомов, расположенных друг над другом», — говорит Демир.
И что особенно важно, с помощью небольшого магнитного поля исследователи из Массачусетского технологического института смогли непрерывно и обратимо переключать оптический режим. Другими словами, они продемонстрировали возможность динамически изменять характер прохождения света через наноструктуру без каких-либо движущихся частей или изменений температуры. «Такая степень контроля возможна благодаря гигантскому сдвигу показателя преломления, вызванному магнитным полем, что намного превосходит возможности традиционных фотонных материалов», — говорит Демир.
На самом деле взаимодействие между светом и экситонами в CrSBr настолько сильное, что приводит к образованию поляритонов — гибридных частиц, состоящих из света и вещества и наследующих свойства обоих компонентов. Эти поляритоны обеспечивают новые формы фотонного поведения, такие как усиленная нелинейность и новые режимы квантового переноса света. В отличие от обычных систем, которым для достижения этого режима требуются внешние оптические резонаторы, CrSBr изначально поддерживает поляритоны.
Хотя в этой демонстрации используются отдельные чешуйки CrSBr, этот материал также можно интегрировать в существующие фотонные платформы, например в интегрированные фотонные схемы. Это делает CrSBr актуальным для применения в реальных условиях, где он может служить настраиваемым слоем или компонентом в пассивных устройствах.
#материалы #нанофотоника #новостиэлектроники