Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego stworzyli strukturę tak cienką, że trudno ją sobie wyobrazić. Ma zaledwie 42 nanometry grubości, a mimo to potrafi utrzymać światło podczerwone w miejscu. To ważny krok dla fotoniki, czyli technologii, w której zamiast elektronów coraz większą rolę mogą odgrywać fotony.
Światło złapane w nanopułapce
Brzmi jak sztuczka z laboratorium przyszłości, ale chodzi o bardzo konkretną fizykę. Zespół badaczy zaprojektował i wykonał ultracienką kratkę z diselenku molibdenu, czyli MoSe₂. Jej grubość wynosi tylko 42 nanometry. Dla porównania: to około 2000 razy mniej niż grubość ludzkiego włosa.
W tej mikroskopijnej strukturze udało się uzyskać efekt, który pozwala uwięzić określony tryb światła. Nie chodzi o światło widzialne, ale o światło podczerwone, czyli promieniowanie o dłuższej fali niż ta, którą widzi ludzkie oko.
Badanie zostało opisane w pracy opublikowanej w ACS Nano, a wśród autorów znaleźli się naukowcy związani z Uniwersytetem Warszawskim, m.in. Emilia Pruszyńska-Karbownik, Tomasz Fąs, Katarzyna Brańko, Wojciech Pacuski i Jan Suffczyński.
Uwięzienie światła podczerwonego. Dlaczego to takie trudne?
Światło da się prowadzić, odbijać, załamywać i skupiać. Robimy to od dawna w soczewkach, światłowodach czy układach optycznych. Problem zaczyna się wtedy, gdy chcemy kontrolować je w skali ekstremalnie małej.
Im mniejszy element, tym trudniej zmusić falę świetlną, aby zachowywała się dokładnie tak, jak chcemy. Szczególnie dotyczy to podczerwieni, bo jej fale są dłuższe od światła widzialnego. Mówiąc prosto: trudniej „upchnąć” takie światło w bardzo małej przestrzeni.
Dlatego tak duże znaczenie ma uwięzienie światła podczerwonego w strukturze mającej tylko 42 nanometry grubości. To pokazuje, że można manipulować światłem w skali znacznie mniejszej niż typowe elementy optyczne.
Materiał, który spowalnia i zgina światło
Kluczowym elementem eksperymentu był diselenek molibdenu, oznaczany jako MoSe₂. To materiał warstwowy należący do grupy tzw. dichalkogenków metali przejściowych, czyli bardzo cienkich materiałów o ciekawych właściwościach optycznych i elektronicznych.
MoSe₂ ma wysoki współczynnik załamania światła. W praktyce oznacza to, że potrafi silnie wpływać na tor promieniowania: spowalniać je, zaginać i pomagać w tworzeniu struktur, w których światło może zostać zamknięte w bardzo małej przestrzeni.
Według opisu pracy materiał ma wysoki współczynnik załamania, niski poziom absorpcji w zakresie bliskiej podczerwieni i nadaje się do zastosowań w fotonice podczerwonej. To właśnie ta kombinacja cech sprawia, że MoSe₂ jest tak interesujący dla naukowców.
Jak zbudowano pułapkę na fotony?
Sama cienka warstwa nie wystarczyła. Naukowcy musieli jeszcze nadać jej odpowiedni kształt. W materiale wykonano mikroskopijne paski, tworząc kratkę podfalową. „Podfalową”, czyli taką, której elementy są mniejsze niż długość fali światła, z którym ma pracować.
Warstwy MoSe₂ zostały wyhodowane metodą epitaksji z wiązek molekularnych, znaną jako MBE. To technika, która pozwala budować bardzo precyzyjne struktury atom po atomie lub warstwa po warstwie.
Badacze najpierw zaprojektowali układ teoretycznie, a dopiero potem wykonali go w laboratorium. To ważne, bo przy tak małych wymiarach nie ma miejsca na przypadek. Drobna zmiana geometrii może sprawić, że światło nie zostanie uwięzione tak, jak zakładano.
Czym jest stan związany w kontinuum?
Najtrudniejsza część brzmi najbardziej abstrakcyjnie: stan związany w kontinuum, po angielsku bound state in the continuum, w skrócie BIC.
Najprościej można to wyjaśnić tak: zwykle fala świetlna w otwartym układzie może „uciec” na zewnątrz. W przypadku BIC dzieje się coś nietypowego. Fala pozostaje uwięziona w strukturze, mimo że teoretycznie istnieją kanały, którymi mogłaby się wydostać.
To nie jest magiczne zatrzymanie światła na zawsze. To raczej bardzo precyzyjnie zaprojektowany układ, w którym geometria i właściwości materiału powodują, że określony tryb światła zostaje silnie ograniczony w przestrzeni.
Właśnie taki efekt zaobserwowano w ultracienkiej kratce z MoSe₂. Pomiary odbicia zależne od polaryzacji potwierdziły, że struktury zawierają szczególny typ uwięzionego trybu optycznego, czyli stan związany w kontinuum.
Po co nam takie uwięzienie światła?
Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że to ciekawostka dla fizyków. W rzeczywistości podobne badania mogą mieć znaczenie dla przyszłej elektroniki i fotoniki.
Dzisiaj większość urządzeń cyfrowych działa dzięki elektronom. To elektrony przenoszą informacje w procesorach i układach scalonych. Fotonika próbuje wykorzystać do tego światło. Gdyby udało się tworzyć stabilne, małe i wydajne układy optyczne, przyszłe urządzenia mogłyby być szybsze, bardziej kompaktowe i mniej energochłonne.
Nie oznacza to, że jutro dostaniemy procesor działający wyłącznie na świetle. Do tego droga jest długa. Ale takie eksperymenty pokazują, że kontrolowanie fotonów w skali nanometrowej jest coraz bardziej realne.
Autorzy pracy wskazują możliwe zastosowania w ultrakompaktowych urządzeniach do laserowania, kontroli frontu falowego oraz badaniach nad bardziej złożonymi stanami światła. W eksperymencie zaobserwowano też ponad tysiąckrotne zwiększenie efektywności generacji trzeciej harmonicznej względem nieustrukturyzowanej warstwy MoSe₂.
To dopiero początek, nie gotowy produkt
Warto zachować rozsądek. To nie jest jeszcze technologia gotowa do masowej produkcji. Sam proces tworzenia idealnych warstw MoSe₂ nadal wymaga dopracowania. Z materiału źródłowego wynika, że uzyskane warstwy nie były idealne i wymagały dodatkowego wygładzania.
To normalne na takim etapie badań. W nauce przełom często nie wygląda jak gotowy gadżet z półki sklepowej. Czasem jest nim właśnie demonstracja, że coś, co wcześniej było trudne lub mało praktyczne, da się wykonać w realnym układzie.
Tu najważniejsze jest to, że naukowcy pokazali działającą strukturę fotoniczną opartą na bardzo cienkim materiale warstwowym. A to może otworzyć drogę do kolejnych projektów, zwłaszcza w obszarze metapowierzchni i nanofotoniki.
Mała struktura, duże znaczenie
Uwięzienie światła podczerwonego w warstwie cieńszej niż ułamek włosa to nie tylko efektowny opis. To przykład tego, jak daleko przesuwa się granica miniaturyzacji.
Elektronika przez dekady malała dzięki coraz mniejszym tranzystorom. Teraz podobny wyścig trwa w świecie fotoniki. Jeżeli światło ma kiedyś pracować w układach równie małych jak dzisiejsze elementy elektroniczne, naukowcy muszą nauczyć się panować nad nim właśnie w takich skalach.
Eksperyment z MoSe₂ pokazuje, że jest to możliwe. Jeszcze nie w formie gotowego urządzenia, ale w formie ważnego kroku. A czasem właśnie takie kroki decydują o tym, jak będą wyglądały technologie za kilkanaście lat.
Badania opublikowano w czasopiśmie ACS Nano .