Физика

Ученые Технологического университета Чалмерса смогли упаковать известный материал в форму диска, чем значительно улучшили его свойства. Наноразмерный диск показал значительную нелинейность с высоким показателем преломления.

Фотоника использует взаимодействия света с материей для создания устройств, работающих с оптическим, а не электрическим сигналом. Фотонные устройства могут превосходить электронные по рабочим характеристикам. Применение фотоники значительно развило медицину, связь, спектроскопию, лазерные и квантовые технологии.

Исследователи использовали дихалькогенид переходного металла (TMD) дисульфид молибдена — одномерный материал с важными для фотоники оптическими свойствами, проявляющимися при комнатной температуре. Этот материал крайне проблематично наслаивать сам на себя без потери нелинейных свойств из-за особенностей его кристаллической решетки.

Ученые впервые создали нанодиск из специально сложенных слоев дисульфида молибдена. Им удалось сохранить нарушенную инверсную симметрию в объеме материала. Он сохраняет нелинейные оптические свойства каждого слоя и усиливает их. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Полученный материал обладает высоким показателем преломления, что позволяет более эффективно сжимать в нем свет. Его можно переносить на любые подложки без необходимости совмещать с ним атомную решетку. Это уменьшает стоимость создания фотонных устройств.

Нанодиск захватывает электромагнитное поле и генерирует свет удвоенной частоты — эффект, называемый генерацией второй гармоники. Это нелинейное оптическое явление используют в высокоэнергетических импульсных лазерных системах.

Структура в форме диска намного меньше длины волны видимого света: всего 50 нанометров. При этом она преобразует частоту света в 10 тысяч раз результативнее, чем неструктурированный материал такого же типа.

Созданный исследователями материал и конструкция обладают хорошими собственными нелинейными оптическими свойствами и значительными линейными оптическими характеристиками — показатель преломления в видимом диапазоне составляет 4,5.

Генерация второй гармоники и другие нелинейные процессы используются в лазерах постоянно, но способные на это элементы обычно размером несколько сантиметров. А величина нанодиска — около 50 нанометров, что примерно в 100 тысяч раз тоньше.

Исследователи полагают, что TMD-материалы, благодаря их размерам и уникальным свойствам, будут использованы для миниатюризации фотоники. Результаты работы найдут применение в нелинейной оптике и генерации запутанных пар фотонов.