Nature Photonics: Уникальный нанодиск продвигает исследования в области фотоники

Нанообъект с уникальными оптическими свойствами создали, объединив два основных направления фотоники, исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция.

Этот мощный объект в тысячу раз тоньше человеческого волоса может быть использован для разработки эффективных и компактных нелинейно-оптических устройств.

Профессор Тимур Шегай, возглавлявший исследование, считает, что у этого открытия большой потенциал.

Фотонные приложения используют взаимодействие света и материи для создания различных эффектов. Это позволило добиться успехов в коммуникациях, медицине, спектроскопии и других областях, а также используется в лазерных и квантовых технологиях.

Учёные из Технологического университета Чалмерса объединили две области исследований — нелинейную и высокоиндексную нанофотонику — в одном дискообразном нанообъекте.

Мы были поражены и счастливы тем, чего нам удалось достичь. Структура, напоминающая диск, намного меньше длины волны света, но при этом она является очень эффективным преобразователем частоты света. Он также в 10 000 раз эффективнее бесструктурного материала того же типа, — говорит доктор Георгий Зограф, ведущий автор статьи в Nature Photonics.

Новая технология изготовления без потери свойств

Исследователи объединили материал и оптический резонанс в нанодиске, чтобы преобразовывать частоту света за счёт нелинейности кристалла.

Для изготовления они использовали дисульфид молибдена — атомарно тонкий материал с выдающимися оптическими свойствами при комнатной температуре. Однако его сложно сложить без потери нелинейных свойств из-за ограничений симметрии кристаллической решётки.

Георгий Зограф рассказал, что они впервые изготовили нанодиск из специально уложенного дисульфида молибдена, который сохраняет нарушенную обратную симметрию и оптическую нелинейность. Это позволяет нанодиску сохранять и усиливать нелинейные оптические свойства каждого отдельного слоя.

Материал имеет высокий коэффициент преломления, то есть эффективно сжимает свет в своей среде. Его можно переносить на любую подложку без подгонки атомной решётки.

Наноструктура локализует электромагнитное поле и генерирует из него свет с удвоенной частотой — это называется генерацией второй гармоники. Это нелинейно-оптическое явление похоже на эффекты генерации суммы и разности частот в высокоэнергетических импульсных лазерных системах.

Нанодиск сочетает в себе экстремальную нелинейность и высокий коэффициент преломления.

Большой шаг вперед для исследований в области оптики

Наш материал и конструкция — самые современные благодаря высоким нелинейно-оптическим свойствам и заметным линейно-оптическим свойствам — показателю преломления 4,5 в видимом оптическом диапазоне. Эти свойства делают наше исследование новым и потенциально привлекательным для промышленности, — говорит Георгий Зограф.

Это важная веха, особенно из-за малого размера диска. Генерацию второй гармоники и другие нелинейности используют в лазерах каждый день, но обычно их платформы имеют сантиметровый масштаб. Масштаб нашего объекта составляет около 50 нанометров, то есть это примерно в 100 000 раз более тонкая структура, — добавляет руководитель исследования профессор Тимур Шегай.

Исследователи уверены, что работа нанодиска поможет в исследованиях фотоники.

В будущем TMD-материалы могут быть использованы в оптических и фотонных устройствах из-за их компактности и уникальных свойств. Их можно будет интегрировать в разные оптические схемы или применять в миниатюрных фотонных приборах.

По мнению Тимура Шегая, это позволит уменьшить размеры и повысить эффективность оптических устройств. Такие инновации можно использовать для генерации запутанных пар фотонов и в нелинейной оптике. Это только начало исследований.

11.09.2024