Ученые уловили свет в ловушке толщиной в 2000 раз меньше человеческого волоса

Фото из открытых источников

Учёным удалось удержать пучки инфракрасного света в решетке из специально созданных атомов толщиной всего 42 нанометра. Это примерно в 2000 раз тоньше человеческого волоса или ещё более тонкого листа бумаги. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Это впечатляющее достижение, осуществленное командой из Варшавского университета в Польше, обещает значительные последствия для электроники, основанной на использовании света, поскольку технологические компоненты продолжают становиться все меньше и точнее.

Это также значительный шаг вперед в изучении инфракрасного света, длина волн которого больше, чем у видимого света. Улавливание инфракрасного света в крошечных пространствах — задача, способная расширить границы возможностей физики.

«Представленные результаты являются многообещающими для создания плоских, сверхкомпактных устройств для генерации лазерного излучения, управления волновым фронтом и топологических состояний света более высокого порядка», — пишут исследователи.

Ключ к проведенному эксперименту кроется в материале, используемом для решетки, удерживающей свет. Она изготовлена из слоистых атомов молибдена и селена, образуя сверхтонкую структуру диселенида молибдена (MoSe₂).

Эта особая химическая конструкция максимально увеличивает показатель преломления решетки, ее способность изгибать и замедлять свет (что делает ее пригодной для захвата).

Хотя известно, что MoSe₂ обладает высоким показателем преломления, его надежное производство в самых малых масштабах ранее представляло собой проблему.

В этом новом исследовании ученые использовали метод атомной «печати», известный как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), для создания листов MoSe₂. Помимо выращивания листов, исследователи также вырезали в них микроскопические полосы с зазорами меньше длины волны инфракрасного света (субволновые), предназначенные для удержания фотонов на месте.

Для этого потребовался еще один физический трюк, называемый «связанным состоянием в континууме» (ССО). Это явление, при котором в данном случае световые волны удерживаются внутри материала, несмотря на сосуществование с другими волнами, которые излучаются наружу.

Для создания BIC необходимо точно спроектировать и сконфигурировать материалы, что исследователи обеспечили, тщательно смоделировав решетку MoSe₂ перед ее изготовлением.

«Мы использовали исключительно высокий показатель преломления MoSe₂ для инновационного проектирования и производства субволновых решеток на основе MoSe₂, содержащих BIC-структуры», — пишут исследователи.

Существует ряд потенциальных практических применений этой сложной физики. Ученые продолжают изучать идею оптических вычислений, где фотоны света заменяют электроны и электричество, что может значительно повысить скорость обработки данных при одновременном уменьшении размеров компонентов.

Хотя до того, как оптические вычисления станут жизнеспособными, еще предстоит преодолеть множество препятствий, такие демонстрации, как та, что подробно описана здесь, показывают, что, возможно, удастся захватывать и манипулировать светом с необходимой степенью точности — и в мельчайших масштабах.

Что касается этого конкретного материала и световой ловушки, то перед его надежным внедрением в больших масштабах необходима дополнительная работа. Разработанный командой процесс выращивания листового материала не был идеальным, поэтому для устранения неровностей материал был отполирован шелковыми салфетками.

Однако исследователи уверены, что их подход можно развить и даже распространить на другие области.

MoSe₂ относится к более обширному семейству сверхтонких материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов (TMD), и есть надежда, что будут найдены новые способы более надежного производства и обработки TMD.

Это проложит путь к созданию гаджетов, которые будут еще меньше и быстрее, чем те, что мы имеем сегодня, и будут частично созданы за счет улавливания света в невероятно малых пространствах.

«Простота и легкость обработки MoSe₂ подтверждают, что возможны и другие конструкции фотонных структур, такие как двумерные метаповерхности на основе слоев TMD», — пишут исследователи.