Forskare vid Center for Photonics and Two-Dimensional Materials vid MIPT, tillsammans med sina kollegor från Spanien, Storbritannien, Sverige, och Singapore, inklusive medskapare av världens första 2-D-material och nobelpristagare Konstantin Novoselov, har mätt jätteoptisk anisotropi i skiktade molybdendisulfidkristaller för första gången. Forskarna föreslår att sådana övergångsmetall -dikalkogenidkristaller kommer att ersätta kisel i fotonik. Dubbelbrytning med en enorm skillnad i brytningsindex, karaktäristiska för dessa ämnen, kommer att göra det möjligt att utveckla snabbare men ändå små optiska enheter. Arbetet publiceras i tidskriften Naturkommunikation .

De skandinaviska vikingarna var de första, bland andra, att observera polariserande effekter i optik. De upptäckte att föremål verkade fördubblas när de sågs genom Islandsspar (klar kalcit). Det fenomenet kallades senare dubbelbrytning. Effekten beror på det asymmetriska arrangemanget av atomer i vissa material. Som ett resultat, en ljusstråle bryts olika i materialet, beroende på i vilken riktning den fortplantar sig, delas upp i två linjärt polariserade strålar (den vanliga och extraordinära) och skapar en fördubblad bild.

Det visar sig att fenomenet dubbelbrytning är mycket praktiskt. Till exempel, vikingarna använde dubbel brytning av vissa kristaller för navigering. Dagens flytande kristallmonitorer använder dubbelbrytningseffekten i flytande kristaller för att skapa bilder. Fenomenet används också för att bygga polarisatorer, vågplattor, och andra optiska komponenter. Det är önskvärt att brytningsindexen för vanliga och extraordinära strålar skiljer sig så mycket som möjligt - då kan den önskade effekten uppnås när ljus passerar genom en tunnare platta, vilket hjälper till att minska storleken på enheten, och i vissa applikationer, öka dess hastighet. Forskare har nyligen visat möjligheten att bygga ultrakompakta vågledare med anisotropa material för att nå och till och med övervinna diffraktionsgränsen.

Effekten kräver material med ett dubbelbrytningsvärde större än 1. Hittills har BaTiS ₃ perovskitskiktade kristaller och den hexagonala bornitriden h-BN har haft rekordet för dubbelbrytning (0,8). Önskan att göra modern optik mer och mer kompakt har stimulerat sökandet efter naturliga material med enorm optisk anisotropi större än 1. Övergångsmetalldikalkogenider är extremt lovande i detta avseende. Dessa föreningar baserade på svavel, selen, tellur, och 3d-element i Mendelejevs periodiska system har en skiktad struktur. Till exempel, molybdendisulfid (MoS ₂ ) består av alternerande lager som roteras i förhållande till varandra 180 grader och hålls samman av svaga van der Waals -krafter (figur 1).

"Från uppgiften att mäta de optiska egenskaperna hos molybdendisulfid, vi har kommit fram till ett helt annat problem – nämligen att studera anisotropi och hitta lovande tillämpningar av anisotropin hos sådana kristaller i fotonik, "Georgy Ermolaev, Ph.D. student vid MIPT och första författare till studien, säger.

Denna anisotropa struktur kunde inte annat än påverka materialets optiska egenskaper. Detta faktum var känt redan under andra hälften av 1900-talet. Dock, kvantitativa mätningar av anisotropin var obefintliga. Det berodde på, bland annat, till betydande experimentella svårigheter. För att övervinna dem, forskarna kombinerade metoder för när- och fjärrelektriska fält. Med andra ord, förutom att bestråla materialet i olika vinklar och detektera signalen, författarna studerade utbredningen av vågledarlägen i materialet. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att entydigt bestämma materialets dubbelbrytning, vilket är 1,5 i det nära-infraröda och upp till tre gånger i det synliga området. Dessa värden är flera gånger högre än tidigare rekordbrytares.

"Vi använde en kombination av tekniker - spektral ellipsometri och optisk närfältsmikroskopi och verifierade våra data med numeriska beräkningar. Arbetet krävde insatser från ett stort antal forskare från olika forskarlag i olika länder och med olika kompetenser. För alla oss, detta arbete var början på storskalig forskning om anisotropisk övergångsmetall dikalkogenider nanofotonik, " kommenterade Aleksey Arsenin, en ledande forskare vid MIPT.

De erhållna uppgifterna jämfördes med kvantberäkningar, som, till forskarnas förvåning, gav exakt samma resultat, därmed bekräftar riktigheten av den konstruerade kvantmekaniska modellen av skiktade material och föreslår att teorin och slutsatserna som publiceras i artikeln är tillämpliga på hela klassen av övergångsmetalldikalkogenider.

Forskarna har helt återupptäckt för världen en klass av material med enorm optisk anisotropi. Upptäckten erbjuder en ytterligare grad av frihet i utvecklingen av kompakta fotoniska enheter och. Till exempel, det gör det möjligt att nå diffraktionsgränsen inom optik för vågledningssystem med karakteristiska dimensioner på cirka 100 nanometer.

Arbetet leddes av professor Valentyn Volkov. Han flyttade från Syddanmarks Universitet till MIPT i september 2019 för att leda Center for Photonics and Two-Dimensional Materials. "Medan vi tidigare var begränsade till förändringar i geometri och effektivt brytningsindex för att skapa nya optiska kretsar och enheter, jätteanisotropi ger en extra grad av frihet att manipulera ljus, " säger Volkov. "Oväntat, vi upptäckte att naturligt anisotropa material gör det möjligt för oss att bygga kompakta vågledare bokstavligen på kanten av diffraktionsgränsen. Det ger oss en möjlighet att konkurrera med kiselfotonik. Nu kan vi säkert inte bara prata om fotonik efter kisel utan också implementera det. "