Эффект Фарадея в двумерном полупроводнике.
Фото: Nature Communications (2024 г.). DOI: 10.1038/s41467-024-47294-5

На протяжении веков было известно, что в определенных ситуациях свет проявляет волнообразное поведение. Некоторые материалы способны менять поляризацию, то есть направление колебаний световой волны, когда свет проходит через материал. Это свойство используется в центральном компоненте оптических сетей связи, известном как «оптический изолятор» или «оптический диод». Этот компонент позволяет свету распространяться в одном направлении, но блокирует весь свет в другом направлении.

В недавнем исследовании немецкие и индийские физики показали, что ультратонкие двумерные материалы, такие как диселенид вольфрама, могут поворачивать поляризацию видимого света на несколько градусов на определенных длинах волн в небольших магнитных полях, подходящих для использования в чипах. Ученые из Мюнстерского университета (Германия) и Индийского института научного образования и исследований (IISER) в Пуне (Индия) опубликовали свои выводы в журнале Nature Communications.

Одна из проблем обычных оптических изоляторов заключается в том, что они довольно большие и имеют размеры от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. В результате исследователям пока не удалось создать миниатюрные интегрированные оптические системы на кристалле , сравнимые с повседневными электронными технологиями на основе кремния. Современные интегрированные оптические чипы состоят всего из нескольких сотен элементов на кристалле.

Для сравнения, чип компьютерного процессора содержит многие миллиарды переключающих элементов. Таким образом, работа немецко-индийской группы является шагом вперед в разработке миниатюрных оптических изоляторов из 2D-материалов, которые имеют толщину всего несколько атомных слоев и, следовательно, в сто тысяч раз тоньше человеческого волоса.

«В будущем двумерные материалы могут стать основой оптических изоляторов и обеспечить внутрикристальную интеграцию сегодняшних и будущих квантово- оптических вычислительных и коммуникационных технологий», — говорит профессор Рудольф Братшич из Мюнстерского университета.

Профессор Ашиш Арора из IISER добавляет: «Даже громоздкие магниты, которые также необходимы для оптических изоляторов, могут быть заменены атомарно тонкими 2D-магнитами». Это радикально уменьшит размер фотонных интегральных схем.

Команда расшифровала механизм, ответственный за обнаруженный ими эффект: связанные пары электрон-дырка, так называемые экситоны, в 2D-полупроводниках очень сильно вращают поляризацию света, когда ультратонкий материал помещается в небольшое магнитное поле.

По словам Ароры, «Проводить такие чувствительные эксперименты с двумерными материалами непросто, поскольку площади образцов очень малы». Ученым пришлось разработать новую методику измерения, которая будет примерно в 1000 раз быстрее предыдущих методов.