Атомно-тонкий оптический волновод

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали, как они утверждают, самое тонкое оптическое устройство в мире, волновод толщиной всего в три слоя атомов.

Работа является доказательством концепции уменьшения оптических устройств до размеров, которые на несколько порядков меньше, чем у современных устройств. Это может привести к созданию фотонных чипов с большей плотностью и большей емкостью.

Новый волновод имеет толщину примерно в шесть ангстрем - это более чем в 10000 раз тоньше, чем обычное оптическое волокно, и примерно в 500 раз тоньше, чем встроенные оптические волноводы в интегральных фотонных схемах. Он состоит из монослоя дисульфида вольфрама (состоящего из одного слоя атомов вольфрама, расположенного между двумя слоями атомов серы), подвешенного на кремниевой рамке. Монослой также имеет массив наноразмерных отверстий, образующих фотонный кристалл.

«По сути, мы демонстрируем предельный предел того, насколько тонким может быть оптический волновод», - сказал старший автор Эртугрул Кубукку (Ertugrul Cubukcu), профессор наноинженерии и электротехники в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Что особенного в этом монослойном кристалле, так это то, что он поддерживает пары электрон-дырка, известные как экситоны, при комнатной температуре. Эти экситоны генерируют сильный оптический отклик, давая кристаллу показатель преломления, который примерно в четыре раза больше, чем у окружающего его поверхности воздуха. Для сравнения, другой материал с такой же толщиной не имел бы такой высокий показатель преломления. Когда свет проходит через кристалл, он попадает внутрь и направляется вдоль плоскости посредством полного внутреннего отражения. Это основной механизм работы оптического волновода.

Еще одна особенность заключается в том, что волноводные каналы освещают в видимом спектре. «Это сложно сделать в таком тонком материале, - сказал проф. Кубукку. - Ранее волновод был продемонстрирован с графеном, который также атомно тонок, но на инфракрасных длинах волн. Мы впервые продемонстрировали волновод в видимой области». Наноразмерные отверстия, выгравированные в кристалле, позволяют рассеивать свет перпендикулярно плоскости, чтобы его можно было наблюдать и исследовать. Этот массив отверстий создает периодическую структуру, которая делает кристалл также двойным резонатором.

«Это также делает его самым тонким оптическим резонатором для видимого света, который когда-либо был продемонстрирован экспериментально, - сказал первый автор Синванг Чжан, который работал над этим проектом в качестве постдокторского исследователя в лаборатории Кубукку в Калифорнийском университете в Сан-Диего. - Эта система не только резонансно усиливает взаимодействие света с веществом, но также служит решетчатым соединителем второго порядка для подачи света в оптический волновод».

Для создания волновода были использованы передовые методы микро- и нанообработки. Процесс начинается с тонкой мембраны из нитрида кремния, поддерживаемой кремниевой рамкой. Это подложка, на которой построен волновод. Затем массив наноразмерных отверстий формируется в мембране для создания шаблона. Затем на мембрану наносится монослой кристалла дисульфида вольфрама. Ионы затем посылаются через мембрану, чтобы вытравить ту же схему отверстий в кристалле. На последнем этапе мембрана из нитрида кремния осторожно вытравливается, оставляя кристалл подвешенным на кремниевой рамке. В результате получается оптический волновод, в котором ядро состоит из однослойного фотонного кристалла дисульфида вольфрама, окруженного материалом (воздухом) с более низким показателем преломления.

В дальнейшем команда продолжит исследовать фундаментальные свойства и физику, относящиеся к волноводу.

Иллюстрация монослоя кристалла дисульфида вольфрама, подвешенного на воздухе и украшенного квадратной решеткой из наноотверстий. При лазерном возбуждении монослойный кристалл испускает фотолюминесценцию. Часть этого света соединяется с монослойным кристаллом и направляется вдоль материала. В решетке из наноотверстий периодическая модуляция в показателе преломления заставляет небольшую часть света распадаться из плоскости материала, что позволяет наблюдать свет как резонанс в управляемой моде.