Кремниевая фотоника давно на слуху и широко используется в оптических линиях связи. Но как шагнуть дальше — преодолеть дифракционный предел и создать ещё меньшие по размерам оптические элементы? Оказалось, что в этом могут помочь известные ещё скандинавским викингам природные материалы, преломляющие свет из-за своей слоистой структуры и гигантской анизотропии. Эти свойства очень кстати для работающей на фотонах электроники.
Исландский шпат. Источник изображения: Каталог минералов
Открыть для посткремниевой фотоники мир давно и хорошо известных анизотропных материалов смогли 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. Они впервые измерили гигантскую оптическую анизотропию в слоистых кристаллах дисульфида молибдена и подтвердили опыты теоретическими выкладками.
До последнего времени рекордным значением двулучепреломления (0,8) обладали слоистые кристаллы перовскита BaTiS3 и гексагональный нитрид бора h-BN. Однако для создания более компактной оптики необходимы были материалы с оптической анизотропией, превышающей 1, что позволило бы преодолеть дифракционный предел. Очень перспективными в этом отношении представлялись дихалькогениды переходных металлов и, в частности, дисульфид молибдена.
Перед учёными встала задача измерить количественно оптическую анизотропию дисульфида молибдена и подтвердить её теоретическими расчётами. В ходе серии сложных экспериментов удалось однозначно определить двулучепреломление материала, которое в ближнем инфракрасном диапазоне составило 1,5, а в видимом достигает 3. Эти величины в несколько раз превышают значения предыдущих рекордсменов и позволяют сказать, что эру посткремниевой фотоники можно смело открывать.
Схема строения дисульфида молибдена. Источник изображения: Nature Communications
Как сказал профессор Валентин Волков, который в сентябре 2019 года переехал из Университета Южной Дании в МФТИ, где возглавил Центр фотоники и двумерных материалов: «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».
Добавим, статью в Nature Communications по исследованию можно увидеть по этой ссылке, а чуть больше подробностей на русском языке можно прочесть на сайте МФТИ.
