Исследователи из Aalto University продемонстрировали новый производственный подход, который позволяет атомно тонким материалам удерживать свет на чипе в течение миллионов циклов — результат, который, по словам авторов, превосходит предыдущие достижения примерно на три порядка. Работа, опубликованная 13 апреля в журнале "Nature Materials" и выполненная международной командой, преодолевает одно из самых упорных препятствий перед созданием фотонных чипов на основе т.н. ван-дер-ваальсовых материалов.
Микроскопический "доспех" для хрупких кристаллов
Ван-дер-ваальсовы материалы — это сверхтонкие слоистые кристаллы из того же широкого семейства, к которому принадлежит и графен. Они привлекают огромный интерес в фотонике из-за атомно гладких поверхностей, которые минимизируют потери света. Стандартные инструменты нанообработки, однако, — такие как литография со сфокусированным ионным лучом — обычно повреждают их деликатную кристаллическую решетку и так ограничивают реальные приложения.
Команда, руководимая Университетом Аалто, предлагает элегантное решение: перед обработкой на материал наносится тонкий слой алюминия. "Этот алюминиевый слой действует как микроскопический доспех", объясняет исследователь Андреас Лиапис. "Он принимает разрушительный эффект ионного луча и позволяет нам обрабатывать материал с субнанометровой точностью под 100 нанометров, сохраняя при этом качество кристалла".
С использованием этого "щита" исследователи создают миниатюрные круговые структуры — микродиски, которые удерживают свет с исключительно малыми потерями. Устройства показывают добротность (Q-фактор) выше одного миллиона, что означает, что за один цикл теряется всего около одной миллионной части света. На практике это позволяет свету обойти диск по траектории миллионы раз, прежде чем затихнуть.
Рекордная эффективность при преобразовании света
Из-за того, что свет удерживается так эффективно в микродисках, он взаимодействует с материалом значительно более интенсивно, что сильно усиливает нелинейные оптические эффекты. При испытаниях генерации второй гармоники — процесса, при котором свет преобразуется из одной частоты в другую — команда зарегистрировала повышение эффективности на четыре порядка, то есть около 10 000 раз, по сравнению с предыдущими рекордами для подобных систем.
"Эти показатели превосходят предыдущие резонансные системы на базе ван-дер-ваальсовых материалов на три порядка, что представляет собой огромный прорыв в области", подчеркивает профессор Чжипей Сун, руководитель группы по фотонике в Университете Аалто.
Достижение открывает перспективу для создания перенастраиваемых фотонных схем, источников квантового света и высокочувствительных оптических сенсоров, интегрированных непосредственно на чип. Оно показывает, что материалы, которые до недавнего времени считались слишком хрупкими для инженерных решений, могут превратиться в ключевые строительные элементы для фотонных устройств следующего поколения.