Российские физики научили двумерные материалы играть со светом
Использование открытия на примере биосенсоров сразу дало рекордную чувствительность, следует из научной статьи, опубликованной в Nature Communications.
Схема для наблюдения фазовых особенностей в ультратонких пленках HRIM. Источник: Nature Communications
Если ХХ век был веком полупроводников, то ХХI век — это век двумерных материалов. Одна из самых перспективных областей применения материалов толщиной в один атом — оптика. Если вы носите очки, то знаете, что ваши линзы имеют строго определенные диоптрии, а острота вашего зрения в течение дня меняется. С помощью двумерных материалов получится сделать линзы, свойства которых можно будет менять в зависимости от изменения особенностей вашего зрения.
Одна из ключевых проблем, которая отделяет нас от этого светлого будущего, — огромная разница (в 1000 раз) в размерах между длинной волны света и толщиной двумерных материалов. Именно поэтому на данный момент эффективность двумерных материалов в оптике очень низкая.
Основное внимание в исследованиях в оптике ученые уделяют фазе волны — тому, сколько волна идет внутри материала. Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ изучают возможности «накопления фазы» в двумерном материале, то есть то, как заставить свет находиться внутри совершенно плоского материала достаточно долго для изменения работы системы. Им удалось найти нужную топологию в системе «двумерный материал — подложка».
У некоторых двумерных материалов большой оптический отклик. Например, ряд дихалькогенидов переходных металлов (это тончайшие, двумерные полупроводники, где один слой атомов металла располагается между двумя слоями атомов халькогена) имеют огромный показатель преломления — более 4. Для сравнения, у воды этот показатель — всего 1,3.
Мы использовали дихалькогениды переходных металлов и в частности диселенид палладия. Несмотря на то, что материал всего лишь атомарной толщины, его взаимодействие со светом колоссально. Эта пленка поглощала свет вплоть до 20%! Мы использовали это колоссальное взаимодействие, чтобы найти топологию, позволяющую получить фазовые изменения
Георгий Ермолаев
Двумерный материал находится на подложке, имеющей слоистую структуру. Чаще всего это кремниевая подложка с оксидом кремния. У этого материала совсем другой коэффициент преломления, сильно отличающийся от изучаемых материалов. В результате подложка обладает поверхностью нулевого отражения. За счет разницы между коэффициентами преломления двумерного материала и подложки образуется резкое изменение фазы световой волны.
Ученые рассмотрели разные двумерные пленки на разных подложках. Эффект оказался универсальным. В зависимости от материала длина волны, на которой происходил скачок фазы, была разной.
«Двумерные материалы могут обеспечивать лишь небольшую оптическую фазовую задержку из-за того, что их толщина очень мала. Чтобы решить эту проблему, мы комбинируем пленки двумерных полупроводников с подложкой SiO2/Si. В результате получаем быстрые фазовые изменения», — комментирует Алексей Арсенин, заместитель руководителя Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Ученые применили найденный эффект для создания высокочувствительных биосенсоров, которые по словам Валентина Волкова, руководителя Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, позволяют добиться рекордной чувствительности и могут найти применение в огромном количестве приложений.
Посмотрите на самые запоминающиеся технические и научные изобретения по версии Time:
фотографии
фотографии
фотографии
