Как установили учёные Чикагского университета, стеклянный кристалл толщиной всего в несколько атомов может улавливать и переносить свет, что можно использовать в практических целях.
Двухмерные оптические волноводы могут привести к технологическому прорыву
Направление света с одного места на другое лежит в основе современного мира. Оптоволоконные кабели, проложенные под океанами и через континенты, в тонких, как волос, нитях переносят свет, который кодирует всё что угодно — от видео на «YouTube» до банковских переводов.
Тем не менее, профессор Чикагского университета Чживун Пак (Jiwoong Park) решил выяснить, что произойдёт, если сделать нити ещё более тонкими и плоскими — по сути, настолько тонкими, что они станут не трёх-, а двухмерными. Как поведёт себя свет?
С помощью серии новаторских экспериментов Пак и его команда обнаружили, что лист кристаллического стекла толщиной всего в несколько атомов может улавливать и переносить свет. Вдобавок такой лист оказался удивительно полезным и способным к транспортировке света на относительно большие расстояния — до сантиметра. В мире вычислений с помощью фотонов сантиметр — это очень много.
10 августа в журнале «Science» опубликована статья с результатами данного исследования, в которой описано, что, в сущности, представляют собой двухмерные фотонные схемы и какие новые технологии можно создать на их основе.
«Нас поразило могущество сверхтонкого кристалла; он способен не только удерживать энергию, но и переносить её в тысячу раз дальше, чем любая другая подобная система, — говорит ведущий автор исследования Чживун Пак, профессор и заведующий кафедрой химии, преподаватель Института Джеймса Франка (James Franck Institute) и Школы молекулярной инженерии имени Притцкера (Pritzker School of Molecular Engineering). — Кроме того, захваченный свет вёл себя так, будто он путешествовал в двухмерном пространстве».
Направляя свет
Это новое изобретение представляет собой способ направления света, или волновод, который, в сущности, является двухмерным. В ходе испытаний исследователи обнаружили, что, направляя свет в чипе, могут использовать чрезвычайно крохотные призмы, линзы и переключатели — все элементы, необходимые для интегральных схем и вычислений.
Фотонные интегральные схемы уже существуют, но они намного крупнее и трёхмерные. Важно отметить, что частицы света, называемые фотонами, всегда путешествуют внутри существующих волноводов.
А в новой системе, ― объяснили исследователи, ― часть путешествующего фотона, поскольку стеклянный кристалл фактически тоньше его, выглядывает наружу.
Это немного походит на разницу между использованием в аэропорту для транспортировки багажа трубы и конвейерной ленты. В случае с конвейерной лентой чемоданы на виду, поэтому вы легко можете наблюдать за ними и регулировать их перемещение. «Ленточный» подход существенно упрощает применение стеклянных кристаллов в сложных устройствах, поскольку свет можно легко перемещать с помощью линз или призм.
Кроме того, фотоны могут получать информацию об условиях, в которых осуществляется их перемещение. Вспомним, как в аэропорту выясняют, не идёт ли снег, проверяя прибывшие с улицы чемоданы. Сходным образом можно использовать новые волноводы: для создания датчиков на микроскопическом уровне.
«Скажем, у вас есть образец жидкости, и вам надо определить, присутствует ли в нём какая-то интересующая вас молекула, — объясняет Пак. — Вы можете сделать так, чтобы поведение света при прохождении волновода через образец в присутствии этой молекулы изменялось».
Учёные также заинтересованы в создании очень тонких фотонных схем, которые можно было бы объединять для интеграции большого количества крошечных устройств в одну и ту же область чипа. В экспериментах на эту тему использовались только кристаллы дисульфида молибдена, но применение других материалов тоже, по-видимому, возможно.
Хотя учёные-теоретики предсказывали существование такого фотонного поведения, его реализация в лабораторных условиях потребовала многолетнего труда, подчёркивают исследователи.
«Решать эту задачу было очень трудно, но интересно, потому что мы продвигались в совершенно новую область. Вот почему всё, что было нужно, нам приходилось придумывать самим — от выращивания материала до измерения движения света», — говорит аспирант Ханьюй Хун, соавтор научной статьи, посвящённой данному исследованию.
Мёнджэ Ли (Myungjae Lee) (бывший научный сотрудник Чикагского университета с докторской степенью, ныне преподаватель Сеульского национального университета (Seoul National University)) — ещё один первый соавтор статьи. Авторами статьи являются также исследователь с докторской степенью Джэхён Ю (Jaehyung Yu), Фаузия Мужид (Fauzia Mujid) (получившая докторскую степень в прошлом году и ныне работающая в «Ecolab») и аспиранты Эндрю Йе (Andrew Ye) и Цэ Лян (Ce Liang).
Исследователи использовали Научно-технический центр материаловедения и инженерии Чикагского университета (Chicago Materials Research Science and Engineering Center), производственные мощности Притцкеровского завода по производству наноматериалов (Pritzker Nanofabrication Facility) и Корнелльский центр исследования материалов (Cornell Center for Materials Research).
Финансирование: Управление научных исследований ВВС США (U.S. Air Force Office of Scientific Research), Управление военно-морских исследований США (U.S. Office of Naval Research), Национальный научный фонд (National Science Foundation), Министерство обороны США (U.S. Department of Defense).
Автор оригинальной публикации: Луиза Лернер (Louise Lerner).
