ITMO-forskare har upptäckt ett material som är ultrakänsligt för ljus. Dessutom, de kunde identifiera en parameter som hjälper till att hitta andra strukturer med höga brytningskoefficienter. Denna upptäckt kommer att föra oss ett steg närmare utvecklingen av kompakta och effektiva element för optiska datorer—lasrar, pommes frites, och sensorer. Forskningen är publicerad i Nanofotonik .

Varje år, det finns en växande efterfrågan på mer kraftfulla och avancerade datorer. Problemet med konventionella, fastän, ligger i elektronerna som spelar en stor roll i dem. I alla strukturer med en elektrisk ström som går genom den, det finns risk för överhettning, vilket skapar grundläggande begränsningar för minimistorleken på beräkningselement. En lösning på detta problem ligger i optiska datorer som kommer att bearbeta information som överförs genom rörelse av fotoner som inte värms upp, i motsats till elektroner.

"Vi kommer snart att nå gränsen när ytterligare modernisering av elektronbaserade maskiner inte kommer att möjliggöra den nödvändiga effektivitetsökningen. För att börja använda optiska datorer, vi måste skapa chips och lasrar av jämförbar storlek. Vi behöver material med höga brytningskoefficienter för att utveckla optiska element i nanoskala. Brytningskoefficienten talar om för oss hur väl en struktur reagerar på ljus. Om dess interaktion med ljus är dålig, då kommer enheten att fungera därefter, " förklarar Anton Shubnic, en student vid ITMO:s fakultet för fysik och teknik.

Det finns inte många material som är mycket ljuskänsliga. En av dem är kisel (Si), med en brytningskoefficient på 4. Det finns inga kända material med en högre brytningskoefficient i det synliga området. Dessutom, forskarna medger, det är inte helt klart, där man kunde leta efter dem. Efter omfattande matematiska beräkningar, ITMO University fysiker kunde identifiera en parameter som kunde peka på hur snabbt ljuset skulle passera genom en halvledare innan fysiska experiment eller komplex beräkningsmodellering. Denna parameter beror på de elektroniska egenskaperna hos ett material:dess bandgap och den effektiva massan av en elektron.

"Vi fokuserade vår uppmärksamhet på halvledare. Dessa material har bandgap, känd för de flesta av dem och används ofta. Inom optik, bandgapet bestämmer den maximala våglängden vid vilken ett material förblir transparent. Den andra parametern är elektronens effektiva massa. När man interagerar med andra partiklar i ett material, elektroner skulle fungera som partiklar med en annan massa än den de ursprungligen har, " förklarar Ivan Iorsh, chef för ITMO-universitetets internationella laboratorium för fotoprocesser i mesoskopiska system.

Bandgapet är ett energiområde som elektroner inte kan ha i ett visst material. Om en fotons energi är mindre än bandgapet, då kan ljuset spridas i materialet, och om energin är mer — då kommer ljuset att absorberas. Inom optik, bandgapet bestämmer den maximala våglängden vid vilken ett material förblir transparent. Denna parameter är känd för många material och används aktivt. Den andra parametern är elektronens effektiva massa. När man interagerar med andra partiklar i ett material, elektroner skulle agera som om de hade en annan massa än den de ursprungligen har. Och denna nya massa är känd som effektiv massa.

Den teoretiska modellen visade att ju högre förhållandet är mellan dessa två parametrar, ju högre bör brytningskoefficienten vara. Först, forskarna testade sin hypotes på kända material som kisel och vände sig sedan till de mindre studerade. Som ett resultat, de upptäckte rheniumdiselenid (ReSe ₂ ), ett mycket lovande material för optiska element. Det visade sig att ReSe ₂ har en brytningskoefficient på 6,5 till 7 i det synliga området, vilket är betydligt högre än för kisel.

Nu, forskarna planerar att starta en global sökning genom öppna databaser av materials elektroniska egenskaper för att hitta andra ämnen med hög brytningskoefficient, tidigare ignorerats av optikspecialister.