Investigadores del Centro de Fotónica y Materiales Bidimensionales del MIPT, junto a sus compañeros de España, Gran Bretaña, Suecia, y Singapur, incluido el cocreador del primer material 2-D del mundo y premio Nobel Konstantin Novoselov, han medido anisotropía óptica gigante en cristales de bisulfuro de molibdeno en capas por primera vez. Los científicos sugieren que tales cristales de dicalcogenuro de metal de transición reemplazarán al silicio en la fotónica. Birrefringencia con una diferencia gigante en los índices de refracción, característico de estas sustancias, permitirá desarrollar dispositivos ópticos más rápidos pero pequeños. El trabajo se publica en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los vikingos escandinavos fueron los primeros, entre otros, para observar los efectos de polarización en la óptica. Descubrieron que los objetos parecían duplicados cuando se veían a través del espato islandés (calcita transparente). Ese fenómeno se denominó posteriormente birrefringencia. El efecto se debe a la disposición asimétrica de los átomos en algunos materiales. Como resultado, un haz de luz se refracta de manera diferente en el material, dependiendo de la dirección en la que se propague, dividiéndose en dos haces polarizados linealmente (el ordinario y el extraordinario) y creando una imagen duplicada.

Resulta que el fenómeno de la birrefringencia es muy práctico. Por ejemplo, los vikingos utilizaron la doble refracción de algunos cristales para la navegación. Los monitores de cristal líquido actuales utilizan el efecto de birrefringencia en los cristales líquidos para crear imágenes. El fenómeno también se utiliza para construir polarizadores, placas onduladas, y otros componentes ópticos. Es deseable que los índices de refracción de los haces ordinarios y extraordinarios difieran tanto como sea posible; entonces se puede lograr el efecto deseado cuando la luz pasa a través de una placa más delgada, ayudando así a reducir el tamaño del dispositivo, y en algunas aplicaciones, aumentar su velocidad. Los investigadores han demostrado recientemente la posibilidad de construir guías de ondas ultracompactas con materiales anisotrópicos para alcanzar e incluso superar el límite de difracción.

El efecto requiere materiales con un valor de birrefringencia superior a 1. Hasta ahora, los BaTiS ₃ Los cristales en capas de perovskita y el nitruro de boro hexagonal h-BN han tenido el récord de birrefringencia (0,8). El deseo de hacer ópticas modernas cada vez más compactas ha estimulado la búsqueda de materiales naturales con una enorme anisotropía óptica superior a 1. Los dicalcogenuros de metales de transición son extremadamente prometedores a este respecto. Estos compuestos a base de azufre, selenio, telurio, y los elementos 3d de la tabla periódica de Mendeleev tienen una estructura en capas. Por ejemplo, disulfuro de molibdeno (MoS ₂ ) consta de capas alternas que giran 180 grados entre sí y se mantienen unidas por fuerzas débiles de van der Waals (Figura 1).

"De la tarea de medir las propiedades ópticas del disulfuro de molibdeno, hemos llegado a un problema completamente diferente, a saber, para estudiar la anisotropía y encontrar aplicaciones prometedoras de la anisotropía de tales cristales en fotónica, "Georgy Ermolaev, Doctor. estudiante del MIPT y primer autor del estudio, dice.

Esta estructura anisotrópica no podía dejar de afectar las propiedades ópticas del material. Este hecho ya se conocía en la segunda mitad del siglo XX. Sin embargo, No existían mediciones cuantitativas de la anisotropía. Eso era debido entre otras cosas, a considerables dificultades experimentales. Para superarlos, los investigadores combinaron métodos de campos eléctricos cercanos y lejanos. En otras palabras, además de irradiar el material en diferentes ángulos y detectar la señal, los autores estudiaron la propagación de modos de guía de ondas en el material. Este enfoque les permitió determinar sin ambigüedades la birrefringencia del material, que es 1,5 en el infrarrojo cercano y hasta tres veces en el rango visible. Estos valores son varias veces mayores que los de los anteriores que batieron récords.

"Utilizamos una combinación de técnicas:elipsometría espectral y microscopía óptica de campo cercano y verificamos nuestros datos con cálculos numéricos. El trabajo requirió el esfuerzo de una gran cantidad de científicos de diferentes equipos científicos en diferentes países y con diferentes competencias. Para todos nosotros, Este trabajo fue el comienzo de una investigación a gran escala sobre nanofotónica de dicalcogenuros de metales de transición anisotrópicos, "comentó Aleksey Arsenin, un investigador líder en MIPT.

Los datos obtenidos se compararon con cálculos cuánticos, cuales, para sorpresa de los investigadores, produjo exactamente el mismo resultado, confirmando así la exactitud del modelo mecánico cuántico construido de materiales en capas y sugiriendo que la teoría y las conclusiones publicadas en el artículo son aplicables a toda la clase de dicalcogenuros de metales de transición.

Los investigadores han redescubierto por completo para el mundo una clase de materiales con una enorme anisotropía óptica. El descubrimiento ofrece un grado adicional de libertad en el desarrollo de dispositivos fotónicos compactos y. Por ejemplo, permite alcanzar el límite de difracción en óptica para sistemas de guiado de ondas con dimensiones características de unos 100 nanómetros.

El trabajo fue dirigido por el profesor Valentyn Volkov. Se mudó de la Universidad del Sur de Dinamarca a MIPT en septiembre de 2019 para dirigir el Centro de Fotónica y Materiales Bidimensionales. "Mientras que anteriormente estábamos limitados a cambios en la geometría y el índice de refracción efectivo para crear nuevos circuitos y dispositivos ópticos, la anisotropía gigante proporciona un grado adicional de libertad para manipular la luz, "dice Volkov." Inesperadamente, Descubrimos que los materiales naturalmente anisotrópicos nos permiten construir guías de ondas compactas literalmente en el borde del límite de difracción. Nos da la oportunidad de competir con la fotónica de silicio. Ahora podemos con seguridad no solo hablar sobre la fotónica posterior al silicio, sino también implementarla ".