Инженеры из США разработали волновод для видимого света толщиной в три атома. Создатели называют его самым тонким оптическим устройством в мире.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology группой во главе с Эртугрулом Чубукчу (Ertugrul Cubukcu) из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Волновод состоит из монослоя дисульфида вольфрама, то есть из одного слоя атомов вольфрама, заключённого между двумя слоями атомов серы. В этом "слоёном пироге" имеются отверстия нанометрового масштаба, которые фактически делают его фотонным кристаллом.
Вся конструкция имеет толщину 0,6 нанометра. Она в 10 тысяч раз тоньше обычного оптоволокна и в 500 раз тоньше, чем встроенные оптические волноводы в фотонных интегральных схемах.
"По сути, мы демонстрируем окончательный предел того, насколько тонким может быть оптический волновод", – утверждает Чубукчу.
Напомним, что показатель преломления материала, из которого сделан волновод, должен быть значительно больше, чем у окружающей среды (в данном случае воздуха). Тогда свет сможет путешествовать внутри вещества, многократно отражаясь от его границ и не выходя наружу.
Добиться такого показателя преломления от слоя материала толщиной в считанные атомы чрезвычайно сложно. В данном случае это удалось благодаря экситонам, о которых "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали. Напомним, что это пара из электрона и дырки, во многих отношениях ведущая себя как частица (такие объекты называются квазичастицами). Особенность использованного материала в том, что экситоны существуют в нём при комнатной температуре.
Благодаря решётке из наноотверстий устройство является и самым тонким оптическим резонатором, работа которого когда-либо демонстрировалась в эксперименте.
К слову, чтобы изготовить подобное "решето", не разрушив тонкий трёхатомный слой, потребовалась специальная технология. Процесс изготовления начинается с тонкой мембраны из нитрида кремния, закреплённой в кремниевой рамке. В этой подложке заранее делаются отверстия в нужных местах. Затем на неё наносится дисульфид вольфрама. Потом на подложку направляется поток ионов. Проникая в отверстия, они пробивают такие же "дырки" в слое из вольфрама и серы. Затем подложка вытравливается, и в рамке остаётся готовое изделие.
Как отмечают инженеры, ранее другой группой учёных был продемонстрирован ещё более тонкий волновод, состоящий из графена – слоя углерода толщиной в один атом. Однако он работал лишь в инфракрасном диапазоне. Таким образом, нынешняя разработка – самый тонкий волновод, работающий с видимым светом.
Подобные технологии могут пригодиться при создании вычислительной техники будущего.
Напомним, что ранее "Вести.Наука" писали об "искусственных атомах" для квантовых вычислений и материале, который поможет создать быстрый квантовый интернет.
