Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института совместно с коллегами из Испании, Великобритании, Швеции и Сингапура, включая первооткрывателя двумерных материалов и нобелевского лауреата Константина Новосёлова, впервые измерили гигантскую оптическую анизотропию в слоистых кристаллах дисульфида молибдена. Ученые предполагают, что подобные кристаллы дихалькогенидов переходных металлов придут на смену кремнию в фотонике. Двулучепреломление с гигантской разницей в коэффициентах преломления, свойственное этим веществам, позволит создать более быстродействующие и при этом миниатюрные оптические устройства. Работа опубликована в журнале Nature Communications, кратко о ее результатах рассказала пресс-служба МФТИ.
Одними из первых на поляризационные эффекты в оптике обратили внимание еще скандинавские викинги. Они обнаружили, что при просмотре сквозь минерал исландский шпат изображение удваивается, что впоследствии получило название двойного лучепреломления. Этот эффект связан с тем, что расположение атомов в некоторых материалах несимметрично. Как результат, в зависимости от направления распространения света он по-разному преломляется в материале, что и приводит к раздвоению изображения. Показатель преломления для одного луча остается постоянным, и этот луч называют обыкновенным, а для второго — необыкновенного — он зависит от угла падения света.
Оказывается, это явление очень полезно на практике. Например, викинги использовали его для навигации, а современные жидкокристаллические мониторы используют эффект двулучепреломления в жидких кристаллах для создания изображения. Этот эффект также используется для создания поляризаторов, волновых пластинок и других оптических компонентов. При этом желательно, чтобы показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей различались как можно больше: тогда желаемого эффекта можно добиться при прохождении света через пластинку меньшей толщины, что позволит уменьшить размеры устройства, а в ряде приложений — и увеличить его быстродействие. Недавно ученые продемонстрировали возможность создания ультракомпактных волноводов на основе анизотропных материалов, позволяющих достигнуть и даже преодолеть дифракционный предел. Для достижения этого эффекта требуются материалы со значением двулучепреломления больше 1. До настоящего времени рекордным значением двулучепреломления (0,8) обладали слоистые кристаллы перовскита BaTiS3 и гексагональный нитрид бора h-BN. Желание сделать современную оптику всё более и более компактной стимулировало поиск природных материалов, обладающих гигантской оптической анизотропией, превышающей 1. Крайне перспективными в этом отношении являются дихалькогениды переходных металлов. Эти соединения на основе серы, селена, теллура и 3d-элементов периодической таблицы Дмитрия Менделеева обладают слоистой структурой. Так, дисульфид молибдена (MoS2) состоит из чередующихся слоев, повернутых друг относительно друга на 180⁰, которые удерживаются слабыми силами Ван-дер-Ваальса (см. рисунок).
Схема строения дисульфида молибдена. Источник: Nature Communications
«От задачи измерения оптических свойств дисульфида молибдена мы пришли к совершенной иной задаче — собственно к изучению анизотропии и поиску перспективных применений анизотропии таких кристаллов в фотонике», — объясняет мотивацию авторов Георгий Ермолаев, аспирант МФТИ и первый автор исследования.
Такое анизотропное строение не могло не сказаться на оптических свойствах материала. Это было известно еще во второй половине ХХ столетия. Тем не менее количественные измерения анизотропии отсутствовали. Это в том числе связано со значительными экспериментальными трудностями. Для их преодоления исследователи скомбинировали методы ближних и дальних электрических полей. Другими словами, помимо привычного облучения вещества под разными углами и детектирования сигнала, авторы исследования изучали распространение волноводных мод в материале, что позволило однозначно определить двулучепреломление материала, которое в ближнем инфракрасном диапазоне составило 1,5, а в видимом достигает 3. Эти величины в несколько раз превышают значения предыдущих рекордсменов.
«Мы использовали комбинацию методов — спектральную элипсометрию, ближнепольную оптическую микроскопию и верифицировали наши данные численными расчетами. Работа потребовала приложения усилий большого числа ученых из различных научных групп из разных стран, с разными компетенциями. Для всех нас эта работа стала началом масштабных исследований по созданию анизотропной нанофотоники на дихалькогенидах переходных металлов», — комментирует Алексей Арсенин, ведущий научный сотрудник МФТИ.
Полученные данные сравнивались с квантовыми расчетами, которые, к удивлению ученых, показали абсолютно тот же результат. Это подтвердило правильность построенной квантомеханической модели слоистых материалов и дает основание полагать, что теория и выводы, опубликованные в статье, применимы для всего класса дихалькогенидов переходных металлов.
Ученые совершенно по-новому открыли миру хорошо известный, как казалось ранее, класс материалов, обладающих огромной оптической анизотропией. Это открытие дает дополнительную степень свободы при разработке компактных фотонных устройств и, например, позволяет достичь дифракционного предела в оптике для волноведущих систем с характерными размерами около 100 нанометров.
Работа выполнена под руководством профессора Валентина Волкова, который в сентябре 2019 года переехал из Университета Южной Дании в МФТИ, где возглавил Центр фотоники и двумерных материалов. «Если ранее для создания новых оптических схем и устройств мы ограничивались изменениями геометрии и эффективного показателя преломления, то гигантская анизотропия дает дополнительную степень свободы для манипулирования светом, — говорит он. — Неожиданно для нас оказалось, что природные анизотропные материалы позволяют создавать компактные волноводы буквально на грани дифракционного предела. Это дает нам возможность конкурировать с кремниевой фотоникой, и теперь мы смело можем не только говорить о посткремниевой фотонике, но и реализовывать ее на практике».
