Elektronika przez dekady przyzwyczaiła nas do tego, że wszystko można zmniejszać. Układy stają się gęstsze, tranzystory ciaśniej upakowane, a kolejne generacje sprzętu wykonują więcej pracy na mniejszej powierzchni. Problem w tym, że światło nie chce podporządkować się tej logice tak łatwo, jak elektrony. Właśnie w tym miejscu pojawia się polski wątek. Zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, pracujący razem z badaczami z Politechniki Łódzkiej, Politechniki Warszawskiej i instytutów PAN, pokazał strukturę, która potrafi uwięzić promieniowanie podczerwone w warstwie o grubości 42 nanometrów. To mniej więcej 0,000042 mm, więc mówimy o skali ponad tysiąc razy mniejszej od grubości ludzkiego włosa.
Nie chodzi tylko o “cienką warstwę”, ale o sposób, w jaki więzi ona światło
Sercem tej pracy jest siatka podfalowa wykonana z dwuselenku molibdenu, czyli MoSe2. W dużym uproszczeniu to uporządkowana struktura z bardzo gęsto ułożonych pasków materiału, których rozstaw jest mniejszy niż długość fali padającego światła. W takim układzie siatka nie działa już jak zwykły element rozpraszający, ale zaczyna zachowywać się jak bardzo skuteczna pułapka dla promieniowania. Właśnie dzięki temu badacze uzyskali silne zamknięcie światła w objętości, która jeszcze niedawno wydawała się zbyt mała dla podobnych efektów.
Czytaj też: Po latach poszukiwań naukowcy z CERN odkryli nową cząstkę. Wygląda jak proton, ale ma zupełnie inne właściwości
Autorzy pracy piszą o zjawisku typu BIC, czyli “bound state in the continuum”. W fotonice oznacza to szczególny tryb rezonansowy, który formalnie leży w zakresie, gdzie energia mogłaby uciekać na zewnątrz, ale przez geometrię i symetrię struktury pozostaje mocno zlokalizowany. Taka konfiguracja pozwala bardzo mocno skupić pole elektromagnetyczne bez budowania grubych, masywnych struktur. Właśnie dlatego BIC od kilku lat jest jednym z ważniejszych tematów w nanofotonice.
Sama geometria nie wystarczyłaby jednak, gdyby materiał był zbyt “słaby optycznie”. W komunikacie UW dobrze widać, dlaczego zespół sięgnął właśnie po MoSe2. Światło po wejściu ze środowiska powietrza do szkła zwalnia około 1,5 razy, w krzemie czy arsenku galu około 3,5 razy, a w dwuselenku molibdenu około 4,5 razy. To właśnie ten wysoki współczynnik załamania otworzył drogę do zbudowania siatki znacznie cieńszej niż te wykonywane wcześniej z bardziej klasycznych materiałów fotonicznych. Dla porównania, dawne siatki podfalowe z krzemu, arsenku galu czy azotku galu miały zwykle grubości liczone w setkach nanometrów i po dalszym odchudzaniu traciły zdolność skutecznego więzienia światła.
Czytaj też: Ratunek nadszedł? Sztuczna inteligencja oświecona kagankiem ekologiczności
Jest tu jeszcze drugi powód, dla którego MoSe2 okazał się atrakcyjny. To materiał warstwowy, trochę z tej samej rodziny wyobrażeń co grafen, ale w przeciwieństwie do niego jest półprzewodnikiem i wykazuje istotne własności nieliniowe. W praktyce oznacza to, że nie tylko przechowuje światło w bardzo małej objętości, ale może też wzmacniać procesy zmieniające jego częstotliwość. W tej pracy chodzi o generację trzeciej harmonicznej – z trzech fotonów podczerwonych powstaje jeden o trzykrotnie wyższej częstotliwości, odpowiadający światłu niebieskiemu. Według zespołu efekt ten był ponad 1500 razy silniejszy niż w płaskiej warstwie MoSe2 bez struktury siatki.
Większym osiągnięciem od samego wyniku może być metoda wykonania
Równie ważne jak optyczne parametry struktury jest to, w jaki sposób ją przygotowano. Popularne eksperymenty z materiałami 2D długo opierały się na eksfoliacji, czyli po prostu “odrywaniu” cienkich warstw z kryształu za pomocą taśmy. To podejście świetnie sprawdza się w laboratorium, ale fatalnie nadaje się do budowy czegoś większego i powtarzalnego. Uczelniany komunikat przypomina, że w takim trybie uzyskuje się bardzo małe obszary, rzędu około 10 µm², co z punktu widzenia przyszłych układów fotonicznych jest zwyczajnie za mało. Dlatego zespół postawił na epitaksję z wiązek molekularnych, czyli MBE, i uzyskał jednorodną warstwę na powierzchni liczonej już w kilkudziesięciu centymetrach kwadratowych.
Komunikat prasowy może sprawiać wrażenie, jakby MBE było dla takich materiałów czymś niemal zupełnie nowym, ale to zbyt dalekie uproszczenie. Już w 2020 roku w Nano Letters opisywano wzrost monowarstw MoSe2 metodą MBE z dużą jednorodnością optyczną, również w pracach powiązanych z zespołem z Warszawy. Nowość tej publikacji nie polega więc na tym, że ktoś po raz pierwszy w historii użył MBE do dichalkogenków metali przejściowych, ale na tym, że połączono epitaksjalnie wyhodowany materiał van der Waalsa z ultracienką siatką podfalową, która rzeczywiście działa jako wysokiej klasy pułapka dla światła.
Czytaj też: Grafen w nowej formie! Europa stawia na cudowny materiał, który zachwyca nie tylko wagą
Cała ta praca jeszcze nie oznacza, że jutro dostaniemy “procesory świetlne” albo gotowe fotoniczne zamienniki klasycznych układów elektronicznych. Od demonstracji pojedynczej struktury do zintegrowanego produktu droga nadal jest długa. To jednak nie odbiera znaczenia samej pracy. Jeśli można skutecznie więzić podczerwień i wzmacniać nieliniową konwersję światła w warstwie o grubości około 42 nm, to otwiera się droga do dużo bardziej płaskich, kompaktowych elementów fotonicznych. Autorzy wprost wskazują, że takie wyniki są obiecujące dla ultrakompaktowych urządzeń związanych z laserami, kontrolą frontu fali i bardziej zaawansowanymi stanami fotonicznymi.
Źródła: Wydział Fizyki UW, PMC, Nano Letters
