Двумерные материалы в фотонике

Создание эффективных систем управления светом — одна из главных задач современной фотоники. Во Вселенной нет ничего, что двигалось бы с большей скоростью, чем свет. Поэтому неудивительно, что ученых давно преследует идея использовать фотоны для передачи данных и в качестве основы для новых вычислительных устройств — ведь они могли бы работать в десятки и сотни раз быстрее, чем те, что мы используем сейчас.

Но для этого нужно решить целый ряд проблем. Светом очень трудно управлять, фотоны имеют свойство рассеиваться в окружающее пространство, и наконец, они никак не взаимодействуют друг с другом. Пока все это мешает использовать их, чтобы создавать более быстродействующие аналоги электронных приборов и устройств.

Как оказалось, большой потенциал для решения этих проблем имеют не так давно открытые двумерные материалы. В 2004 году была опубликована первая работа по графену, а на сегодня исследователи открыли еще более сотни подобных сред. В их числе ― материалы, ведущие себя как электронные топологические изоляторы, материалы, обладающие сверхпроводимостью, и полупроводники, которые могут стать альтернативой классическим полупроводникам вроде кремния, активно применяемого в электронике.

Для фотонных применений интересен целый класс двумерных материалов ― прежде всего тем, что в них есть экситоны. Это особые квазичастицы, которые состоят из отрицательно заряженного электрона и положительно заряженной дырки (электронной вакансии). Что важно, ими достаточно легко управлять: их легко можно возбудить светом, то есть они характеризуются сильным оптическим откликом.

И свет, и электрон

Но ученые пошли дальше и научились создавать еще одни квазичастицы — поляритоны, которые состоят из экситонов и фотонов, а значит, одновременно обладают свойствами и тех, и других. Поляритоны появляются в результате многократного перерождения экситонов в фотоны и обратно — этот процесс запускается, если поместить двумерный полупроводник в оптический резонатор, настроенный на частоту экситона. Как показали авторы исследования, роль резонатора может играть и наноструктурированная метаповерхность.

«В фотонах есть огромный недостаток — они почти не взаимодействуют друг с другом. То есть при помощи одного фотона нельзя управлять другим. Чтобы сделать устройства, нужно подмешать к фотонам что-то, что позволит им взаимодействовать. И поляритон — отличный кандидат. Экситоны взаимодействуют между собой за счет кулоновского взаимодействия. А значит, таким же поведением характеризуются и поляритоны — и чем их концентрация в полупроводнике выше, тем это взаимодействие сильнее», — объясняет Антон Самусев, один из авторов работы, старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов.

Таким образом получается, своего рода, гибридная система: с одной стороны, такие частицы благодаря своей фотонной компоненте могут быстро распространяться в среде или вдоль метаповерхности. А с другой ― ими можно управлять за счет экситонной компоненты. Это позволяет создавать устройства, которые могут стать реальными конкурентами современным электронным приборам, добавляет исследователь.

Поляритонный топологический изолятор

Мы хорошо понимаем, что такое изоляторы, металлы и полупроводники, когда говорим об электричестве. В фотонике все очень похоже: в некоторых материалах свет определенной частоты распространяется свободно, в других — не распространяется вообще. Но также в фотонике, как и в электричестве, существуют так называемые топологические изоляторы ― свет в них распространяется по краям и граням, но не внутри объема.

«Особенность топологических изоляторов в том, что они дают нам возможность управлять направлением распространения света. Кроме того, для распространения света вдоль границы характерны большие потери в случае, если грани изгибаются. Но в топологических изоляторах свет всегда будет распространяться по этому краю без особых потерь, каким бы ни был изгиб. То есть, даже если на поверхности есть какие-то дефекты и неровности (что часто случается при производстве), это не приведет к существенным потерям», — рассказывает Федор Бенимецкий, один из авторов работы, младший научный сотрудник лаборатории низкоразмерных квантовых материалов.

Ученые попробовали совместить свойства поляритонов со свойствами фотонных топологических изоляторов. В итоге получилась система из диэлектрической метаповерхности и перенесенного на нее двумерного полупроводника, в которой топологические поляритоны могут управляемо распространяться в выбранном направлении вдоль границы топологического домена.

Что важно, структура получилась планарной, то есть плоской и предельно компактной — это дает возможность сразу интегрировать ее в устройства, например, в виде чипа.

Фактически, несмотря на фундаментальную направленность исследования, у ученых получился почти готовый прототип, который мог бы стать основой для нового поколения оптических и оптоэлектронных устройств.

Фундаментальный прорыв

Как отмечают авторы работы, чисто фотонные топологические изоляторы (в том числе и двумерные) — тема хорошо изученная, а вот свойства поляритонного топологического изолятора в отсутствие гигантских магнитных полей были продемонстрированы впервые. В перспективе ученые собираются подробнее изучить нелинейно-оптические эффекты в этой системе, а также провести эксперименты по управлению этой структурой при помощи напряжения.

«Если к двумерному материалу присоединить электрический контакт, то можно управлять концентрацией носителей в нем. Причем это происходит на порядки эффективнее, чем в трехмерном проводнике, потому что носителей в нем значительно меньше и их количество намного проще менять. Это сильно влияет не только на его проводящие свойства, но и на экситонный отклик. Грубо говоря, мы можем взять и выключить экситоны, а значит, и поляритоны приложением внешнего напряжения. Таким образом мы получим электро-оптическое устройство, свойства которого мы сможем буквально переключать. Это открывает большие перспективы. Думаю, что в ближайшее время эта тематика будет развиваться очень активно», — заключает Антон Самусев.

Статья: Mengyao Li, Ivan Sinev, Fedor Benimetskiy, Tatyana Ivanova, Ekaterina Khestanova, Svetlana Kiriushechkina, Anton Vakulenko, Sriram Guddala, Maurice Skolnick, Vinod M. Menon, Dmitry Krizhanovskii, Andrea Alù, Anton Samusev & Alexander B. Khanikaev, «Experimental observation of topological Z2 exciton-polaritons in transition metal dichalcogenide monolayers», Nature Communications, 2021.