Изследователи от Aalto University демонстрираха нов производствен подход, който позволява на атомно тънки материали да задържат светлина върху чип в продължение на милиони цикли – резултат, който, по думите на авторите, превъзхожда предишните постижения с около три порядъка. Работата, публикувана на 13 април в списание "Nature Materials" и изпълнена от международен екип, преодолява едно от най-упоритите препятствия пред създаването на фотонни чипове на основата на т.нар. ван-дер-ваалсови материали.
Микроскопичен "доспех" за крехки кристали
Ван-дер-ваалсовите материали са свръхтънки слоести кристали от същото широко семейство, към което принадлежи и графенът. Те привличат огромен интерес във фотониката заради атомно гладките си повърхности, които минимизират загубите на светлина. Стандартните инструменти за нанообработка обаче – като литографията със сфокусиран йонен лъч – обикновено повреждат тяхната деликатна кристална решетка и така ограничават реалните приложения.
Екипът, ръководен от Университета Аалто, предлага елегантно решение: преди обработката върху материала се нанася тънък слой алуминий. "Този алуминиев слой действа като микроскопичен доспех", обяснява изследователят Андреас Лиапис. "Той поема разрушителния ефект на йонния лъч и ни позволява да обработваме материала с субнанометрова прецизност под 100 нанометра, като същевременно запазваме качеството на кристала".
С използването на този "щит" изследователите създават миниатюрни кръгови структури – микродискове, които задържат светлината с изключително малки загуби. Устройствата показват добротност (Q-фактор) над един милион, което означава, че за един цикъл се губи едва около една милионна част от светлината. На практика това позволява на светлината да обиколи диска по траекторията си милиони пъти, преди да затихне.
Рекордна ефективност при преобразуване на светлина
Поради това, че светлината се задържа толкова ефективно в микродисковете, тя взаимодейства с материала значително по-интензивно, което силно усилва нелинейните оптични ефекти. При изпитания на генериране на втора хармоника – процес, при който светлината се преобразува от една честота в друга – екипът регистрира повишаване на ефективността с четири порядъка, тоест около 10 000 пъти, спрямо предишните рекорди за подобни системи.
"Тези показатели надминават предишните резонансни системи на базата на ван-дер-ваалсови материали с три порядъка, което представлява огромен пробив в областта", подчертава професор Чжипей Сун, ръководител на групата по фотоника в Университета Аалто.
Постижението отваря перспектива за създаване на пренастройваеми фотонни схеми, източници на квантова светлина и високочувствителни оптични сензори, интегрирани директно върху чип. То показва, че материали, които доскоро се смятаха за твърде крехки за инженерни решения, могат да се превърнат в ключови градивни елементи за фотонни устройства от следващо поколение.