Det har varit känt i århundraden att ljus uppvisar vågliknande beteende i vissa situationer. Vissa material kan rotera ljusvågens polarisation, d.v.s. oscillationsriktningen, när ljuset passerar genom materialet. Denna egenskap används i en central komponent i optiska kommunikationsnätverk som kallas en "optisk isolator" eller "optisk diod". Denna komponent tillåter ljus att spridas i en riktning men blockerar allt ljus i den andra riktningen.
I en nyligen genomförd studie har tyska och indiska fysiker visat att ultratunna tvådimensionella material som volframdiselenid kan rotera polariseringen av synligt ljus med flera grader vid vissa våglängder under små magnetiska fält som är lämpliga för användning på chips. Forskarna från universitetet i Münster, Tyskland, och Indian Institute of Science Education and Research (IISER) i Pune, Indien, har publicerat sina resultat i tidskriften Nature Communications.
Ett av problemen med konventionella optiska isolatorer är att de är ganska stora med storlekar som sträcker sig mellan flera millimeter och flera centimeter. Som ett resultat av detta har forskare ännu inte kunnat skapa miniatyriserade integrerade optiska system på ett chip som är jämförbara med vardagliga kiselbaserade elektroniska teknologier. Nuvarande integrerade optiska chip består av endast några hundra element på ett chip.
Som jämförelse innehåller ett datorprocessorchip många miljarder omkopplingselement. Det tysk-indiska teamets arbete är därför ett steg framåt i utvecklingen av miniatyriserade optiska isolatorer. De 2D-material som forskarna använder är bara några få atomlager tjocka och därför hundra tusen gånger tunnare än ett människohår.
"I framtiden kan tvådimensionella material bli kärnan i optiska isolatorer och möjliggöra integrering på chip för dagens optiska och framtida kvantoptiska beräknings- och kommunikationstekniker", säger professor Rudolf Bratschitsch från universitetet i Münster.
Prof Ashish Arora från IISER tillägger:"Till och med de skrymmande magneterna, som också krävs för optiska isolatorer, skulle kunna ersättas av atomärt tunna 2D-magneter." Detta skulle drastiskt minska storleken på fotoniska integrerade kretsar.
Teamet dechiffrerade mekanismen som var ansvarig för effekten de hittade:Bundna elektron-hålpar, så kallade excitoner, i 2D-halvledare roterar polariseringen av ljuset mycket kraftigt när det ultratunna materialet placeras i ett litet magnetfält.
Enligt Arora, "Att genomföra sådana känsliga experiment på tvådimensionella material är inte lätt eftersom provområdena är mycket små." Forskarna var tvungna att utveckla en ny mätteknik som är cirka 1 000 gånger snabbare än tidigare metoder.
Mer information: Benjamin Carey et al, Giant Faraday-rotation i atomiskt tunna halvledare, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47294-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Münster
