Ученые создали инновационную методику удержания света на кристалле на протяжении миллионов итераций, что позволило решить давнюю проблему при разработке фотонных приборов. Данная технология позволяет придавать нужную форму очень тонким материалам, состоящим из отдельных атомов, не повреждая их, и раскрывает их возможности для создания высокоэффективных оптических систем.
Исследование посвящено ван-дер-ваальсовым материалам — группе сверхтонких веществ, обладающих уникальными оптическими и электронными характеристиками. Однако, несмотря на их перспективность, применение этих материалов в качестве структурных элементов затруднено, поскольку традиционные технологии производства могут привести к их повреждению.
Для решения этой задачи ученые разработали защитный слой, предшествующий этапу производства. Материал покрывают тонким слоем алюминия, который поглощает воздействие инструментов, используемых для обработки, что позволяет точно формировать его на наноуровне, не ухудшая при этом его характеристики. Благодаря этой технологии, исследователи смогли создать микроскопические структуры в форме дисков, демонстрирующие высокую эффективность удержания света. Эти микродиски обеспечивают многократное циркулирование света с незначительными потерями, что позволяет достичь показателей производительности, ранее недостижимых для подобных материалов.
«Несмотря на значительный потенциал, применение ван-дер-ваальсовых материалов в качестве основных компонентов представляло собой сложную задачу », — отметил Сяоци Цуй. Данное защитное покрытие выступает в качестве промежуточного барьера в процессе производства, что позволяет осуществлять операции, которые ученые называют нанохирургией. « Данный слой алюминия выполняет функцию микроскопической защиты », — сказал Андреас Лиапис. «Он принимает на себя негативное влияние ионного пучка ».
В итоге были получены структуры с безупречно ровной поверхностью, которые поддерживают кристаллическую чистоту материала и обеспечивают высокую точность изготовления. Такие устройства демонстрируют показатели качества, превышающие 1 000 000, что свидетельствует о минимальных потерях света в каждом цикле. В реальности это означает, что свет может многократно циркулировать внутри структуры – миллионы раз – прежде чем будет поглощен. « Достигнутый уровень производительности на три порядка величины выше, чем у предыдущих резонансных систем, основанных на взаимодействии Ван-дер-Ваальса », — сказал Чжипэй Сунь.
Высокая эффективность удержания света имеет существенное значение. Когда свет остается внутри структуры, он оказывает более сильное воздействие на материал, что приводит к усилению оптических эффектов, которые иначе были бы незначительными. В ходе экспериментов ученые зафиксировали увеличение эффективности при генерации второй гармоники – процесса преобразования света из одной частоты в другую – на 10 000 раз. Подобный уровень повышения открывает перспективы для создания более компактных фотонных устройств.
Данное достижение позволяет рассматривать материалы Ван дер Ваальса не как пассивные элементы, а как активные компоненты для создания фотонных устройств. Это может способствовать развитию схем с возможностью перенастройки, квантовых источников света и высокочувствительных датчиков, которые можно интегрировать непосредственно в микросхемы. В целом, исследование демонстрирует, что материалы, ранее считавшиеся слишком хрупкими, теперь могут быть преобразованы в функциональные устройства с выдающимися характеристиками. Кроме того, оно указывает на то, как объединение защитных технологий производства с современными материалами может расширить горизонты в фотонике.
Благодаря ровным и безупречным поверхностям используемых материалов, данный метод демонстрирует значительные преимущества, поскольку они снижают рассеивание света и повышают эффективность. Объединяя точное производство с выдающимися характеристиками материала, этот подход позволяет фотонным чипам стать ближе к практическому применению в области вычислений и сенсорных технологий.
Результаты были в журнале Nature Materials.