Исследователи из Университета Райса изучают класс полупроводников толщиной в атом, известных как дихалькогениды переходных металлов (ДМДМ). Они обнаружили, что свет может вызвать физическое смещение в их атомной решётке, создавая настраиваемый способ регулировки поведения и свойств материалов.
Эффект наблюдается у подтипа ДМДМ, названного в честь двуликого римского бога переходов — Януса. Это открытие может способствовать развитию технологий, использующих свет вместо электричества: от более быстрых и холодных компьютерных чипов до сверхчувствительных датчиков и гибких оптоэлектронных устройств.
«В нелинейной оптике свет можно изменять так, чтобы создавать новые цвета, более быстрые импульсы или оптические переключатели, которые включают и выключают сигналы», — сказала Кунян Чжан, аспирантка Райса, которая является одним из первых авторов исследования, документирующего этот эффект. «Двумерные материалы, толщиной всего в несколько атомов, позволяют создавать эти оптические инструменты в очень малом масштабе».
Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
Дихалькогениды переходных металлов — это слоистые кристаллы, состоящие из переходного металла, такого как молибден, и двух слоёв халькогенного элемента, например, серы или селена. Их сочетание электрической проводимости, поглощения света и механической гибкости сделало их одним из самых универсальных классов материалов для электроники и оптоэлектроники нового поколения.
Материалы Януса выделяются своей асимметрией — идея, отражённая в их названии. Как и их мифологическое воплощение, эти материалы имеют два разных «лица»: верхние и нижние атомы состоят из разных химических элементов, создавая внутренний дисбаланс, который придаёт кристаллу встроенную электрическую полярность, делая его особенно чувствительным к свету и внешним воздействиям.
«Наша работа исследует, как структура материалов Януса влияет на их оптическое поведение и как сам свет может генерировать силу в материалах», — сказала Чжан.
Используя лазерное излучение разного цвета, команда изучала, как двухслойный материал ДМДМ — дисульфид молибдена, наложенный на дисульфид молибдена, — преобразует свет в процессе, называемом генерацией второй гармоники (ГВГ), при котором материал излучает свет с удвоенной частотой входящего луча. Они обнаружили, что, когда входящий свет соответствует естественным резонансам материала, картина света с удвоенной частотой искажается, сигнализируя о смещении атомов внутри.
«Мы обнаружили, что освещение дисульфида молибдена и дисульфида молибдена с помощью света создаёт крошечные направленные силы внутри материала, которые проявляются в виде изменений в его картине ГВГ», — сказала Чжан. «Обычно сигнал ГВГ образует шестиконечную форму цветка, которая отражает симметрию кристалла. Но когда свет воздействует на атомы, эта симметрия нарушается — лепестки узора сжимаются неравномерно».
Команда проследила искажение до оптострикции — процесса, при котором электромагнитное поле света само по себе оказывает механическое воздействие на атомы. В материалах Януса это воздействие усиливается за счёт сильной связи между атомными слоями, позволяя даже незначительным силам создавать измеримую деформацию.
«Материалы Януса идеально подходят для этого, потому что их неравномерный состав создаёт усиленную связь между слоями, что делает их более чувствительными к крошечным силам света — силам, которые трудно измерить напрямую, но мы можем обнаружить их по изменениям в картине сигнала ГВГ», — сказала Чжан.
Эта чувствительность может сделать эти материалы полезными далеко за пределами лаборатории. Компоненты, которые переключают или направляют свет по этому принципу, могут сделать оптические чипы более быстрыми и энергоэффективными, поскольку световые схемы генерируют меньше тепла, чем обычная электроника. Такую же чувствительность можно использовать для создания точных датчиков, способных обнаруживать малейшие вибрации или изменения давления, или настраиваемых источников света для современных дисплеев и инструментов визуализации.
«Такой активный контроль может помочь в разработке фотонных чипов нового поколения, сверхчувствительных детекторов или квантовых источников света — технологий, которые используют свет для передачи и обработки информации вместо того, чтобы полагаться на электричество», — сказал Шэнси Хуан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии в Райсе и соавтор исследования.
Показывая, как встроенный дисбаланс ДМДМ открывает новые способы управления потоком света, исследование подчёркивает, как небольшие структурные особенности могут раскрыть большой технологический потенциал.