Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новую платформу в области нанофотоники — манипулирования светом на наноуровне (одна миллиардная часть метра). Это стало возможным благодаря стремлению уменьшить и усовершенствовать технологии управления светом.
Результаты исследования
Создан класс сверхкомпактных оптических устройств, которые не только меньше и эффективнее существующих технологий, но и динамически перестраиваемы — могут переключаться с одного оптического режима на другой. Ранее такое сочетание было недостижимо в нанофотонике.
Работа опубликована в номере журнала Nature Photonics от 8 июля.
Риккардо Комин, доцент кафедры физики MIT и руководитель работы, отметил: «Эта работа знаменует значительный шаг к будущему, в котором нанофотонные устройства будут не только компактными и эффективными, но и перепрограммируемыми и адаптивными, способными динамически реагировать на внешние сигналы. Сочетание новых квантовых материалов и устоявшихся архитектур нанофотоники, несомненно, приведёт к прогрессу в обеих областях».
Участники работы
Коллеги Комина по работе: Ахмет Кемаль Демир, аспирант по физике; Лука Несси, ныне постдокторант в Политехническом университете Милана; Сачин Вайдья, постдокторант в RLE MIT; Коннор А. Оккиалини, ныне постдокторант в Колумбийском университете; и Марин Солачич, профессор физики в MIT.
Демир и Несси — соавторы статьи.
Традиционные материалы в нанофотонике
Традиционно в нанофотонике используются такие материалы, как кремний, нитрид кремния и диоксид титана. Они являются основой устройств, которые направляют и ограничивают свет с помощью таких структур, как волноводы, резонаторы и фотонные кристаллы. Последние представляют собой периодические структуры из материалов, которые контролируют распространение света, подобно тому как полупроводниковый кристалл влияет на движение электронов.
Хотя эти материалы высокоэффективны, у них есть два основных ограничения. Первое связано с их показателями преломления — мерой того, насколько сильно материал взаимодействует со светом. Чем выше показатель преломления, тем сильнее материал «захватывает» или взаимодействует со светом, сильнее преломляя его и замедляя. Показатели преломления кремния и других традиционных нанофотонных материалов часто невелики, что ограничивает возможность плотного удержания света и создания компактных оптических устройств.
Второе ограничение традиционных нанофотонных материалов: после изготовления структуры её оптическое поведение практически фиксировано. Обычно нет возможности существенно изменить её реакцию на свет без физического изменения структуры.
Решение проблем с помощью бромида сульфида хрома (CrSBr)
«Возможность настройки имеет решающее значение для многих приложений фотоники нового поколения, позволяя создавать адаптивные изображения, высокоточные датчики, реконфигурируемые источники света и обучаемые оптические нейронные сети», — сказал Вайдья.
Бромид сульфида хрома (CrSBr) — это слоистый квантовый материал с редкой комбинацией магнитного порядка и сильного оптического отклика. Центральную роль в его уникальных оптических свойствах играют экситоны — квазичастицы, образующиеся, когда материал поглощает свет и электрон возбуждается, оставляя после себя положительно заряженную «дыру». Электрон и дыра остаются связанными электростатическим притяжением, образуя своего рода нейтральную частицу, которая может сильно взаимодействовать со светом.
В CrSBr экситоны доминируют в оптическом отклике и чувствительны к магнитным полям, что означает, что ими можно управлять с помощью внешних воздействий. Благодаря экситонам CrSBr обладает исключительно большим показателем преломления, что позволяет исследователям создавать оптические структуры толщиной до шести нанометров — это всего семь слоёв атомов, уложенных друг на друга.
Применяя небольшое магнитное поле, исследователи из MIT смогли непрерывно и обратимо переключать оптический режим. Это означает, что они продемонстрировали возможность динамически изменять направление потока света через наноструктуру без каких-либо движущихся частей или изменений температуры.
«Такая степень контроля обеспечивается гигантским, индуцированным магнитным полем сдвигом показателя преломления, который намного превосходит то, что обычно достижимо в традиционных фотонных материалах», — сказал Демир.
Взаимодействие света и экситонов в CrSBr настолько сильно, что приводит к образованию поляритонов — гибридных частиц света и вещества, которые наследуют свойства от обоих компонентов. Эти поляритоны открывают новые формы фотонного поведения, такие как усиленные нелинейности и новые режимы квантового переноса света.
В отличие от обычных систем, которым требуются внешние оптические резонаторы для достижения этого режима, CrSBr поддерживает поляритоны на внутреннем уровне.
Хотя в демонстрации используются отдельные чешуйки CrSBr, материал также можно интегрировать в существующие фотонные платформы, такие как интегрированные фотонные схемы. Это делает CrSBr актуальным для реальных приложений, где он может служить настраиваемым слоем или компонентом в пассивных устройствах.
Результаты MIT были получены при очень низких температурах — до 132 К (-222 °F). Хотя это ниже комнатной температуры, существуют убедительные варианты использования, такие как квантовое моделирование, нелинейная оптика и реконфигурируемые поляритонные платформы, где беспрецедентная настраиваемость CrSBr может оправдать работу в криогенных условиях.
По словам Демира, «CrSBr настолько уникален по сравнению с другими распространёнными материалами, что даже работа в криогенных условиях, надеюсь, оправдает себя».
Команда также изучает родственные материалы с более высокими температурами магнитного упорядочения, чтобы обеспечить аналогичные функции в более доступных условиях.
Предоставлено лабораторией исследований материалов Массачусетского технологического института.