Ультратонкие резонаторы устанавливают новый стандарт эффективного управления светом
Когда дело доходит до взаимодействия света и вещества, мир нанометров — это как территория супершпионов в мире технологий. В нанометровом диапазоне (миллиардная доля метра) происходят невероятные вещи, которые просто невозможно наблюдать в больших масштабах. И именно здесь появляются нанофотонные материалы с их уникальными оптическими свойствами, открывающие ворота в мир новых возможностей.
Группа исследователей под руководством профессора Андреаса Титтла из LMU разработала инновационный метод создания экстремально тонких оптических компонентов, которые могут реагировать даже на самые слабые световые сигналы. "В будущем эти компоненты могут изменить правила игры, создавая крошечные, более чувствительные датчики и ускоряя скорость оптической связи", — говорит профессор Титтл. Просто представьте, как мы можем подружиться с технологиями, которые реагируют на лучшие условия света!
Используемые материалы относятся к так называемым метаповерхностям, которые представляют собой тонкие структуры с регулярным рисунком, меньшим, чем длина волны света. Но не обманывайтесь их размером; эти фотонные резонаторы способны изменять амплитуду, фазу и поляризацию электромагнитных волн. Простыми словами, с их помощью можно манипулировать светом, как будто вы дирижируетесь оркестром из фотонов!
Атомарная точность!
Но вот вопрос: как соединить все эти удивительные возможности? Титтл с командой интегрировали концепцию метаповерхностей в многослойные 2D-материалы, которые могут состоять всего из одного или двух атомов! Да, вы не ослышались. Таким образом, ученые открыли путь к точному контролю их атомного расположения, создавая материалы с прочными ковалентными связями, а между слоями — слабыми взаимодействиями. Эти материалы известны как ван-дер-ваальсовые, и они сейчас на пике актуальности.
Однако, по словам Титтла, "раньше литература сосредоточивалась на макроскопических решетках из множества двумерных материалов". Его команда пошла дальше, используя нанолитографию для добавления новых структурных параметров, которые усиливают взаимодействия света и материи. Ученые назвали свои новшества "гетероструктурными метаповерхностями ван-дер-ваальса", или просто vdW-HMs. Это как запуск новой линейки супергероев в мире технологий!
Экспериментальные результаты: световые уникумы!
Используя полупроводниковый слой дисульфида вольфрама (WS2), ученые создали периодические структуры, с которыми свет взаимодействует эффективно. В результате электроны в материале возбуждаются падающим светом и соединяются с фотонами, образуя гибридные частицы, известные как экситон-поляритоны. Эти частицы обладают материалами и светоподобными свойствами, и могут конденсироваться в экстремальные состояния вещества.
Чтобы добиться выдающихся результатов, команда провела теоретическое моделирование, оптимизировав vdW-HMs и создав нанофотонные компоненты, которые реагируют на интенсивность света более чем в 1000 раз меньшую, чем было сообщено ранее. "Мы разработали ультратонкие резонаторы, которые очень эффективно улавливают свет", — говорит Лука Сортино, член команды Титтла.
Теперь у нас есть инструмент для объединения концепций и распространения модели на множество других 2D-материалов. Это открывает двери к разработке различных полезных нанофотонных компонентов, работающих на индивидуальных оптоэлектронных характеристиках.
Взгляд в будущее
Ученые надеются, что отношения с vdW-HMs помогут в создании ультратонких оптических компонентов с новыми функциональными возможностями. Потенциальные области применения таких инноваций включают быстрые оптические переключатели, нейроморфные вычисления и даже поляритонные лазеры, которые потенциально можно будет интегрировать в чипы.