Сегодня традиционная электроника постепенно подходит к своим техническим пределам: чем меньше становятся устройства, тем труднее дальше повышать их скорость и эффективность. Поэтому все больше надежд связывают с фотоникой — технологиями, в которых информацию переносят не электроны, а фотоны, то есть частицы света. Фотоны легче «упаковывать» в быстрые и компактные системы, но в работе с ними есть фундаментальная проблема: свет ведет себя как волна, а это значит, что его трудно надежно удерживать в структурах меньших, чем его собственная длина волны. Для инфракрасного света это особенно сложно, потому что его длина волны достигает микрометра и более.
Физики из Варшавского университета вместе с коллегами из Лодзинского технологического университета, Варшавского политеха и Польской академии наук показали, что такой барьер можно обойти. Они использовали так называемую субволновую решетку — набор очень тесно расположенных параллельных полосок. Если расстояние между ними меньше длины волны света, такая решетка начинает работать необычным образом: с одной стороны, как почти идеальное зеркало, с другой — как ловушка для света в очень маленьком объеме.
Ключевым материалом для уникальной наноструктуры стал диселенид молибдена (MoSe2). Его главное преимущество — очень высокий показатель преломления. Проще говоря, внутри этого материала свет сильно замедляется. Если в стекле свет замедляется примерно в 1,5 раза, а в кремнии — примерно в 3,5 раза, то в MoSe2 — примерно в 4,5 раза. Благодаря этому размеры структуры удалось радикально уменьшить без потери ее эффективности.
Но у этого материала есть и еще одна интересная особенность: он нелинейно взаимодействует со светом. В частности, способен к генерации третьей гармоники — процессу, при котором три инфракрасных фотона объединяются в один фотон более высокой энергии, то есть видимого синего света. Поскольку решетка очень сильно концентрирует инфракрасное излучение, этот эффект усиливается более чем в 1500 раз по сравнению с плоским слоем того же материала.
Революционным стал не только состав материала, но и процесс изготовления наноструктуры. Раньше такие слои часто получали «скотч-методом» — буквально отслаивая тонкие пласты от кристалла, как графен. Это приемлемый метод для лаборатории, но не для промышленности. Чтобы иметь возможность масштабировать свою разработку, ученые применили молекулярно-лучевую эпитаксию — зрелую полупроводниковую технологию, позволяющую выращивать большие и однородные пленки.
Это значит, что уникальная разработка имеет все шансы не остаться просто красивым экспериментом, а стать шагом к созданию реальных фотонных чипов, где светом можно будет управлять в структурах почти атомарной толщины.
Ранее ученые открыли новые способы формирования квантового света.
Источник: hi-tech.mail.ru