Професор Валентин Волков, Центр фотоніки та почесних матеріалів МФТІ.
Співробітники Центру фотоніки і почесних матеріалів МФТІ спільно з колегами з Іспанії, Великобританії, Швеції та Сінгапуру вперше виміряли гігантську оптичну анізотропію в слоїстих кристалах дисульфіду молібдену. Вчені припускають, що подібні кристали діхалькогенідів перехідних металів прийдуть на зміну кремнію в фотоніці. Двопромінення з гігантською різницею в коефіцієнтах заломлення, властиве цим речовинам, дозволить створити більш швидкодіючі і при цьому мініатюрні оптичні пристрої. Роботу опубліковано в журналі Nature Communications.
Одними з перших на поляризаційні ефекти в оптиці звернули увагу ще вікінги. Вони виявили, що при погляді крізь ісландський шпат зображення подвоюється, що згодом отримало назву дволучепреломлення. Цей ефект пов'язаний з тим, що розташування атомів у деяких матеріалах несиметричне. Як результат, залежно від напрямку поширення світла воно по-різному ламується в матеріалі, що і призводить до роздвоєння зображення. Показник заломлення для одного променя залишається постійним, і цей промінь називають звичайним, а для другого - незвичайного - він залежить від кута падіння світла.
Сучасні рідкокристалічні монітори використовують ефект двопромінювання в рідких кристалах для створення зображення. Цей ефект також використовується для створення поляризаторів, хвильових платівок та інших оптичних компонентів. При цьому бажано, щоб показники заломлення звичайного і незвичайного променів розрізнялися якомога більше - тоді бажаного ефекту можна домогтися при проходженні світла через платівку меншої товщини, що дозволить зменшити розміри пристрою, а в ряді додатків і збільшити його швидкодію. Нещодавно вчені продемонстрували можливість створення ультракомпактних хвилеводів на основі анізотропних матеріалів, що дозволяють досягти і навіть подолати дифракційну межу. Для досягнення цього ефекту потрібні матеріали зі значенням двопромінювання більше 1. До теперішнього часу рекордним значенням двопромінення (0,8) мали слоїсті кристали перовскіту BaTiS3 і гексагональний нітрид бора h-BN. Бажання зробити сучасну оптику все більш і більш компактною стимулювало пошук природних матеріалів, що володіють гігантською оптичною анізотропією, що перевищує 1. Вкрай перспективними в цьому відношенні є дихалькогеніди перехідних металів. Ці сполуки на основі сірки, селену, телура і 3d-елементів періодичної таблиці Дмитра Менделєєва володіють шари. Так, дисульфід молібдену (MoS2) складається з шарів, що чергуються, повернутих один щодо одного на 180 °, які утримуються слабкими силами Ван-дер-Ваальса. Схема будови дисульфіду молібдену.
Така анізотропна будова не могла позначитися на оптичних властивостях матеріалу. Це відомо з другої половини двадцятого століття. Проте кількісних вимірювань анізотропії не було. Це в тому числі пов'язано зі значними експериментальними труднощами. Для їх подолання дослідники скомбінували методи ближніх і далеких електричних полів. Іншими словами, крім звичного опромінення речовини під різними кутами і детектування сигналу, автори дослідження вивчали поширення хвилеводних мод в матеріалі, що дозволило однозначно визначити дволучепреломлення матеріалу, яке в ближньому інфрачервоному діапазоні склало 1,5, а в видимому досягає 3. Ці величини в кілька разів перевищують значення попередніх рекордсменів.
"Ми використовували комбінацію методів - спектральну еліпсометрію, близькохворою оптичну мікроскопію і верифікували наші дані чисельними розрахунками. Робота зажадала докладання зусиль великого числа вчених з різних наукових груп з різних країн з різними компетенціями. Для всіх нас ця робота стала початком масштабних досліджень зі створення анізотропної нанофотоники на дихалькогенідах перехідних металів ", - коментує Олексій Арсенін, провідний науковий співробітник МФТІ.
Отримані дані порівнювалися з квантовими розрахунками, які, на подив вчених, показали абсолютно той же результат. Це підтвердило правильність побудованої квантомеханічної моделі прошаркових матеріалів і дає підставу вважати, що теорія і висновки, опубліковані в статті, застосовні для всього класу дихалькогенідів перехідних металів.
Вчені абсолютно по-новому відкрили світу добре відомий, як здавалося раніше, клас матеріалів, що володіють величезною оптичною анізотропією. Це відкриття дає додаткову ступінь свободи при розробці компактних фотонних пристроїв і, наприклад, дозволяє досягти дифракційної межі в оптиці для хвилеведучих систем з характерними розмірами близько 100 нанометрів.
Робота виконана під керівництвом професора Валентина Волкова, який у вересні 2019 року перейшов з Університету Південної Данії в МФТІ, де очолив Центр фотоніки та почесних матеріалів. "Якщо раніше для створення нових оптичних схем і пристроїв ми обмежувалися змінами геометрії та ефективного показника заломлення, то гігантська анізотропія дає додаткову ступінь свободи для маніпулювання світлом, - говорить він. - Несподівано для нас виявилося, що природні анізотропні матеріали дозволяють створювати компактні хвилеводи буквально на межі дифракційної межі. Це дає нам можливість конкурувати з кремнієвою фотонікою, і тепер ми сміливо можемо не тільки говорити про посткремнієву фотоніку, а й реалізовувати її на практиці ".
