Чикагские ученые нашли способ передавать свет через тонкие 2D кристаллы

Передача света с места на место — основа нашего современного мира. Под океанами и через континенты по оптоволоконным кабелям передается свет, который кодирует все — от видеороликов на YouTube до банковских переводов — и все это внутри нитей толщиной с волос.

Однако профессор Чикагского университета Дживонг Парк (Jiwoong Park) задался вопросом, что произойдет, если сделать еще более тонкие и плоские нити — по сути, настолько тонкие, что они будут не 3D, а 2D. Что произойдет со светом?

Проведя ряд новаторских экспериментов, он и его команда обнаружили, что лист стеклянного кристалла толщиной всего в несколько атомов способен улавливать и переносить свет. Более того, он оказался удивительно эффективным и способен преодолевать достаточно большие расстояния — до сантиметра, что очень далеко для мира вычислений на основе света.

Исследование, опубликованное 10 августа в журнале Science, демонстрирует, по сути, двумерные фотонные схемы и может открыть путь к новым технологиям.

Мы были удивились, насколько мощным является этот сверхтонкий кристалл: он не только способен удерживать энергию, но и передавать ее в тысячу раз дальше, чем кто-либо видел в подобных системах, — сказал ведущий автор исследования Дживонг Парк, профессор и заведующий кафедрой химии, преподаватель Института Джеймса Франка и Прицкеровской школы молекулярной инженерии.

Свет в ловушке также вел себя так, как будто он путешествует в двумерном пространстве.

Направляющий свет

Недавно изобретенная система представляет собой способ направления света — так называемый волновод, — который по сути является двумерным. В ходе испытаний исследователи обнаружили, что они могут использовать чрезвычайно миниатюрные призмы, линзы и переключатели для направления света вдоль чипа — все компоненты для схем и вычислений.

Фотонные схемы уже существуют, но они гораздо больше и трехмернее. Очень важно, что в существующих волноводах частицы света, называемые фотонами, всегда перемещаются внутри волновода.

В данной системе, как пояснили ученые, стеклянный кристалл на самом деле тоньше самого фотона, поэтому часть фотона при движении фактически высовывается из кристалла.

Это похоже на разницу между созданием трубы для перемещения чемоданов по аэропорту и установкой их на конвейерную ленту. При использовании конвейерной ленты чемоданы открыты для воздуха, и их можно легко увидеть и отрегулировать по ходу движения. Такой подход значительно облегчает создание сложных устройств на основе стеклянных кристаллов, поскольку свет можно легко перемещать с помощью линз или призм.

Кроме того, фотоны могут получать информацию об условиях в пути. Вспомните, как проверяют чемоданы, приходящие с улицы, чтобы узнать, не идет ли на улице снег. Аналогичным образом ученые могут представить себе использование этих волноводов для создания датчиков на микроскопическом уровне.

Например, у вас есть образец жидкости, и вы хотите определить, присутствует ли в ней определенная молекула, — пояснил Парк.

Можно сконструировать волновод таким образом, чтобы он проходил через образец, и присутствие молекулы изменяло бы поведение света.

Ученые также заинтересованы в создании очень тонких фотонных схем, которые можно будет складывать в стопки, чтобы интегрировать множество крошечных устройств на одной площади чипа. В качестве стеклянного кристалла в этих экспериментах использовался дисульфид молибдена, но принципы работы должны быть применимы и к другим материалам.

По словам ученых, хотя ученые-теоретики предсказывали существование такого поведения, его реальная реализация в лабораторных условиях заняла много лет.

Это была действительно сложная, но приятная задача, поскольку мы входили в совершенно новую область. Поэтому все, что нам было нужно, мы должны были разработать сами — от выращивания материала до измерения движения света, — заключает аспирант Ханью Хонг, соавтор первой статьи.

12.08.2023