2D-оптические волноводы: ученые изобрели самый маленький из известных способов направления света

11 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Чикагским университетом

Направление света с места на место является основой нашего современного мира. Под океанами и через континенты оптоволоконные кабели передают свет, который кодирует всё — от видеороликов на YouTube до банковских операций — и все это внутри прядей размером с волос.

Однако профессор Чикагского университета Дживун Пак задался вопросом, что произойдет, если вы сделаете пряди еще более тонкими и плоскими — по сути, настолько тонкими, что они на самом деле будут 2D, а не 3D. Что произойдет со светом?

С помощью серии инновационных экспериментов он и его команда обнаружили, что лист кристаллического стекла толщиной всего в несколько атомов может улавливать и переносить свет. Мало того, он был удивительно эффективен и мог преодолевать относительно большие расстояния — до сантиметра, что очень далеко в мире световых вычислений.

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

«Мы были крайне удивлены тем, насколько мощным является этот сверхтонкий кристалл; он не только может удерживать энергию, но и доставлять ее в тысячу раз дальше, чем кто-либо видел в аналогичных системах», — сказал ведущий автор исследования Джиун Пак, профессор и председатель химик и преподаватель Института Джеймса Франка и Притцкеровской школы молекулярной инженерии. «Захваченный свет также вел себя так, как будто он путешествует в двумерном пространстве».

Недавно изобретенная система представляет собой способ направления света, известный как волновод, который по существу является двумерным. В ходе испытаний исследователи обнаружили, что они могут использовать чрезвычайно крошечные призмы, линзы и переключатели, чтобы направлять путь света вдоль чипа — все ингредиенты для схем и вычислений.

Фотонные схемы уже существуют, но они гораздо крупнее и трехмернее. Важно отметить, что в существующих волноводах частицы света, называемые фотонами, всегда движутся внутри волновода.

Ученые объяснили, что в этой системе стеклянный кристалл на самом деле тоньше, чем сам фотон, поэтому часть фотона фактически высовывается из кристалла во время своего путешествия.

Это немного похоже на разницу между постройкой трубки для отправки чемоданов по аэропорту и установкой их на конвейерную ленту. Благодаря конвейерной ленте чемоданы открыты для воздуха, и вы можете легко видеть и регулировать их по пути. Такой подход значительно упрощает создание сложных устройств из стеклянных кристаллов, поскольку свет можно легко перемещать с помощью линз или призм.

Фотоны также могут получать информацию об условиях на своем пути. Подумайте о том, чтобы проверить чемоданы, поступающие с улицы, чтобы узнать, идет ли на улице снег. Точно так же ученые могут представить себе использование этих волноводов для создания датчиков на микроскопическом уровне.

«Например, предположим, что у вас есть образец жидкости и вы хотите определить, присутствует ли в нем определенная молекула», — объяснил Парк. «Можно спроектировать его так, чтобы этот волновод проходил через образец, и присутствие этой молекулы меняло бы поведение света».

Ученые также заинтересованы в создании очень тонких фотонных схем, которые можно было бы объединить для интеграции множества крошечных устройств в одну и ту же область чипа. Стеклянный кристалл, который они использовали в этих экспериментах, представлял собой дисульфид молибдена, но принципы должны работать и для других материалов.

Хотя учёные-теоретики предсказывали, что такое поведение должно существовать, на самом деле реализация его в лаборатории потребовала многолетнего пути, говорят учёные.