Дослідники з Aalto University продемонстрували новий виробничий підхід, який дозволяє атомно тонким матеріалам затримувати світло на чіпі протягом мільйонів циклів – результат, який, за словами авторів, перевершує попередні досягнення приблизно на три порядки. Робота, опублікована 13 квітня в журналі "Nature Materials" і виконана міжнародною командою, долає одну з найбільш наполегливих перешкод перед створенням фотонних чіпів на основі т. зв. ван-дер-ваальсових матеріалів.
Мікроскопічний "доспех" для крихких кристалів
Ван-дер-ваальсові матеріали – це надтонкі шаруваті кристали з того самого широкого сімейства, до якого належить і графен. Вони привертають величезний інтерес у фотоніці через свої атомно гладкі поверхні, які мінімізують втрати світла. Стандартні інструменти для нанообробки, проте, – як літографія зі сфокусованим іонним променем – зазвичай пошкоджують їхню делікатну кристалічну решітку і так обмежують реальні застосування.
Команда, очолювана Університетом Аалто, пропонує елегантне рішення: перед обробкою на матеріал наноситься тонкий шар алюмінію. "Цей алюмінієвий шар діє як мікроскопічний доспех", пояснює дослідник Андреас Ліапіс. "Він поглинає руйнівний ефект іонного променя і дозволяє нам обробляти матеріал з субнанометровою точністю під 100 нанометрів, водночас зберігаючи якість кристала".
З використанням цього "щита" дослідники створили мініатюрні кругові структури – мікродиски, які затримують світло з надзвичайно малими втратами. Пристрої показують добротність (Q-фактор) понад мільйон, що означає, що за один цикл втрачається лише близько однієї мільйонної частини світла. На практиці це дозволяє світлу обійти диск за траєкторією мільйони разів, перш ніж згаснути.
Рекордна ефективність при перетворенні світла
Через те, що світло затримується так ефективно в мікродисках, воно взаємодіє з матеріалом значно інтенсивніше, що сильно посилює нелінійні оптичні ефекти. При випробуваннях генерування другої гармоніки – процесу, при якому світло перетворюється з однієї частоти в іншу – команда зареєструвала підвищення ефективності на чотири порядки, тобто приблизно у 10 000 разів, порівняно з попередніми рекордами для подібних систем.
"Ці показники перевершують попередні резонансні системи на базі ван-дер-ваальсових матеріалів на три порядки, що є величезним проривом у галузі", підкреслює професор Чжипей Сун, керівник групи з фотоніки в Університеті Аалто.
Досягнення відкриває перспективу для створення переналаштовуваних фотонних схем, джерел квантового світла та високочутливих оптичних сенсорів, інтегрованих безпосередньо на чіп. Воно показує, що матеріали, які донедавна вважалися надто крихкими для інженерних рішень, можуть перетворитися на ключові будівельні елементи для фотонних пристроїв наступного покоління.