Onderzoekers van het Centrum voor Fotonica en Tweedimensionale Materialen aan het MIPT, samen met hun collega's uit Spanje, Groot Brittanië, Zweden, en Singapore, waaronder mede-maker van 's werelds eerste 2D-materiaal en Nobelprijswinnaar Konstantin Novoselov, hebben voor het eerst gigantische optische anisotropie gemeten in gelaagde molybdeendisulfidekristallen. De wetenschappers suggereren dat dergelijke overgangsmetaaldichalcogenidekristallen silicium in fotonica zullen vervangen. Dubbele breking met een gigantisch verschil in brekingsindices, kenmerkend voor deze stoffen, zal het mogelijk maken om snellere maar kleine optische apparaten te ontwikkelen. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De Scandinavische Vikingen waren de eersten, onder andere, om polariserende effecten in optica waar te nemen. Ze ontdekten dat objecten er dubbel uitzagen als ze door IJslands spar (helder calciet) werden bekeken. Dat fenomeen werd later dubbele breking genoemd. Het effect is te wijten aan de asymmetrische rangschikking van atomen in sommige materialen. Als resultaat, een lichtstraal breekt anders in het materiaal, afhankelijk van de richting waarin het zich voortplant, splitsen in twee lineair gepolariseerde bundels (de gewone en buitengewone) en het creëren van een verdubbeld beeld.

Het blijkt dat het fenomeen dubbele breking erg praktisch is. Bijvoorbeeld, de Vikingen gebruikten dubbele breking van sommige kristallen voor navigatie. Hedendaagse monitoren met vloeibare kristallen gebruiken het dubbelbrekingseffect in vloeibare kristallen om beelden te creëren. Het fenomeen wordt ook gebruikt om polarisatoren te bouwen, golfplaten, en andere optische componenten. Het is wenselijk dat de brekingsindices van gewone en buitengewone bundels zoveel mogelijk verschillen - dan kan het gewenste effect worden bereikt wanneer licht door een dunnere plaat gaat, waardoor de grootte van het apparaat wordt verkleind, en in sommige toepassingen, zijn snelheid verhogen. Onderzoekers hebben onlangs de mogelijkheid aangetoond om ultracompacte golfgeleiders te bouwen met anisotrope materialen om de diffractielimiet te bereiken en zelfs te overwinnen.

Het effect vereist materialen met een dubbele brekingswaarde groter dan 1. Tot nu toe, de BaTiS ₃ perovskiet gelaagde kristallen en het hexagonale boornitride h-BN hebben het record voor dubbele breking (0,8) gehouden. De wens om de moderne optica steeds compacter te maken heeft de zoektocht naar natuurlijke materialen met een enorme optische anisotropie groter dan 1 gestimuleerd. Overgangsmetaaldichalcogeniden zijn in dit opzicht veelbelovend. Deze verbindingen op basis van zwavel, selenium, tellurium, en 3D-elementen van het periodiek systeem van Mendelejev hebben een gelaagde structuur. Bijvoorbeeld, molybdeendisulfide (MoS ₂ ) bestaat uit afwisselende lagen die 180 graden ten opzichte van elkaar zijn geroteerd en bij elkaar worden gehouden door zwakke van der Waals-krachten (Figuur 1).

"Van de taak om de optische eigenschappen van molybdeendisulfide te meten, we zijn bij een heel ander probleem aangekomen, namelijk om anisotropie te bestuderen en veelbelovende toepassingen van de anisotropie van dergelijke kristallen in fotonica te vinden, "Georgi Ermolaev, doctoraat student aan het MIPT en eerste auteur van de studie, zegt.

Deze anisotrope structuur kon niet anders dan de optische eigenschappen van het materiaal beïnvloeden. Dit feit was al in de tweede helft van de twintigste eeuw bekend. Echter, kwantitatieve metingen van de anisotropie waren niet aanwezig. Dat was te wijten, onder andere, tot aanzienlijke experimentele moeilijkheden. Om ze te overwinnen, de onderzoekers combineerden methoden van nabije en verre elektrische velden. Met andere woorden, naast het bestralen van het materiaal onder verschillende hoeken en het detecteren van het signaal, de auteurs bestudeerden de voortplanting van golfgeleidermodi in het materiaal. Deze aanpak stelde hen in staat om ondubbelzinnig de dubbele breking van het materiaal te bepalen, dat is 1,5 in het nabij-infrarood en tot drie keer in het zichtbare bereik. Deze waarden zijn meerdere malen groter dan die van eerdere recordbrekers.

"We gebruikten een combinatie van technieken - spectrale ellipsometrie en optische microscopie in het nabije veld en verifieerden onze gegevens met numerieke berekeningen. Het werk vereiste de inspanningen van een groot aantal wetenschappers van verschillende wetenschappelijke teams in verschillende landen en met verschillende competenties. ons, dit werk was het begin van grootschalig onderzoek naar anisotrope overgangsmetaal dichalcogenides nanofotonica, " merkte Aleksey Arsenin op, een vooraanstaand onderzoeker bij MIPT.

De verkregen gegevens werden vergeleken met kwantumberekeningen, die, tot verbazing van de onderzoekers, gaf precies hetzelfde resultaat, waarmee de juistheid van het geconstrueerde kwantummechanische model van gelaagde materialen wordt bevestigd en wordt gesuggereerd dat de theorie en conclusies die in het artikel zijn gepubliceerd, van toepassing zijn op de hele klasse van overgangsmetaaldichalcogeniden.

De onderzoekers hebben voor de wereld een klasse materialen met een enorme optische anisotropie volledig herontdekt. De ontdekking biedt een extra mate van vrijheid bij de ontwikkeling van compacte fotonische apparaten en. Bijvoorbeeld, het maakt het mogelijk om de diffractielimiet in optica te bereiken voor golfgeleidende systemen met karakteristieke afmetingen van ongeveer 100 nanometer.

Het werk werd geleid door professor Valentyn Volkov. Hij verhuisde in september 2019 van de Universiteit van Zuid-Denemarken naar MIPT om het Centrum voor Fotonica en Tweedimensionale Materialen te leiden. "Terwijl we voorheen beperkt waren tot veranderingen in geometrie en effectieve brekingsindex om nieuwe optische circuits en apparaten te creëren, gigantische anisotropie biedt een extra mate van vrijheid om licht te manipuleren, " zegt Volkov. "Onverwacht, we ontdekten dat van nature anisotrope materialen ons in staat stellen om compacte golfgeleiders letterlijk op de rand van de diffractielimiet te bouwen. Het geeft ons de kans om te concurreren met siliciumfotonica. Nu kunnen we veilig niet alleen praten over post-silicium fotonica, maar het ook implementeren."