ITMO-onderzoekers hebben een materiaal ontdekt dat ultragevoelig is voor licht. Bovendien, ze waren in staat om een ​​parameter te identificeren die zal helpen bij het vinden van andere structuren met hoge brekingscoëfficiënten. Deze ontdekking brengt ons een stap dichter bij de ontwikkeling van compacte en efficiënte elementen voor optische computers:lasers, chips, en sensoren. Het onderzoek is gepubliceerd in Nanofotonica .

Elk jaar, er is een groeiende vraag naar krachtigere en geavanceerdere computers. Het probleem met conventionele, Hoewel, ligt in de elektronen die daarin een grote rol spelen. In elke structuur waar een elektrische stroom doorheen loopt, er is een risico op oververhitting, wat fundamentele beperkingen schept voor de minimale grootte van computationele elementen. Een oplossing voor dit probleem ligt in optische computers die informatie verwerken die wordt verzonden door de beweging van fotonen die niet opwarmen, in tegenstelling tot elektronen.

"We zullen binnenkort de limiet bereiken wanneer een verdere modernisering van op elektronen gebaseerde machines niet voor de noodzakelijke verhoging van de efficiëntie zal zorgen. Om optische computers te gaan gebruiken, we moeten chips en lasers van vergelijkbare grootte maken. We hebben materialen met hoge brekingscoëfficiënten nodig om optische elementen op nanoschaal te ontwikkelen. De brekingscoëfficiënt vertelt ons hoe goed een structuur reageert op licht. Als de interactie met licht slecht is, dan zal het apparaat dienovereenkomstig werken, " legt Anton Shubnic uit, een student aan de faculteit Fysica en Engineering van ITMO.

Er zijn niet veel materialen die zeer gevoelig zijn voor licht. Een daarvan is silicium (Si), met een brekingscoëfficiënt van 4. Er zijn geen materialen bekend met een hogere brekingscoëfficiënt in het zichtbare bereik. Bovendien, de onderzoekers toegeven, het is niet helemaal duidelijk, waar men ze zou kunnen zoeken. Na uitgebreide wiskundige berekeningen, Natuurkundigen van ITMO University konden een parameter identificeren die zou kunnen aangeven hoe snel het licht door een halfgeleider zou gaan vóór fysieke experimenten of complexe rekenmodellen. Deze parameter hangt af van de elektronische eigenschappen van een materiaal:de bandafstand en de effectieve massa van een elektron.

"We hebben onze aandacht gericht op halfgeleiders. Deze materialen hebben bandhiaten, bekend voor de meeste van hen en vaak gebruikt. op het gebied van optica, de band gap bepaalt de maximale golflengte waarbij een materiaal transparant blijft. De tweede parameter is de effectieve massa van het elektron. Bij interactie met andere deeltjes in een materiaal, elektronen zouden werken als deeltjes met een andere massa dan ze oorspronkelijk hebben, " legt Ivan Iorsh uit, hoofd van het International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems van ITMO University.

De band gap is een energiebereik dat elektronen niet kunnen hebben in een bepaald materiaal. Als de energie van een foton kleiner is dan de band gap, dan kan het licht zich in het materiaal verspreiden, en als de energie meer is, dan zal het licht worden geabsorbeerd. op het gebied van optica, de band gap bepaalt de maximale golflengte waarbij een materiaal transparant blijft. Deze parameter staat bekend om veel materialen en wordt actief gebruikt. De tweede parameter is de effectieve massa van het elektron. Bij interactie met andere deeltjes in een materiaal, elektronen zouden doen alsof ze een andere massa hebben dan ze oorspronkelijk hebben. En deze nieuwe massa staat bekend als effectieve massa.

Het theoretische model toonde aan dat hoe hoger de verhouding tussen deze twee parameters, hoe hoger de brekingscoëfficiënt moet zijn. Eerst, de onderzoekers testten hun hypothese op bekende materialen zoals silicium en wendden zich vervolgens tot de minder bestudeerde materialen. Als resultaat, ze ontdekten rheniumdiselenide (ReSe ₂ ), een veelbelovend materiaal voor optische elementen. Het bleek dat ReSe ₂ heeft een brekingscoëfficiënt van 6,5 tot 7 in het zichtbare bereik, die aanzienlijk hoger is dan die van silicium.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers zijn van plan een wereldwijde zoektocht te starten door open databases van elektronische eigenschappen van materialen om andere stoffen met een hoge brekingscoëfficiënt te vinden, voorheen genegeerd door optiekspecialisten.