Направление света из одного места в другое является основой нашего современного информационного мира. Волоконно-оптические кабели пересекают глубокие океаны и обширные континенты, неся свет, который содержит все: от видеоклипов на YouTube до банковских переводов по тонким волокнам. Однако профессор Дживун Пак из Чикагского университета хотел знать, что произойдет, если волокно сделать тоньше и более плоским — настолько тонким, что оно будет на самом деле двумерным, а не трехмерным. Что происходит со светом?
Ученые Чикагского университета обнаружили, что стеклянный кристалл толщиной всего в несколько атомов может улавливать и переносить свет и может использоваться в самых разных целях. Тонкая нить в центре пластика, которую держит соавтор исследования Ханью Хонг, и есть этот материал. Источник изображения: Жан Лаша
Благодаря серии инновационных экспериментов он и его команда обнаружили, что тонкие кусочки стеклянных кристаллов толщиной всего в несколько атомов могут улавливать и переносить свет. Мало того, он удивительно эффективен и может преодолевать относительно большое расстояние — один сантиметр, что очень далеко в мире световых вычислений.
Профессор Дживун Пак (слева) и ученый Ханью Хон (справа) в Лазерной лаборатории, где они подтвердили, что материал может переносить свет, хотя он меньше, чем сам свет. Источник изображения: Жан Лаша
Исследование, недавно опубликованное в журнале Science, демонстрирует, что по сути представляет собой двумерную фотонную схему, и может открыть путь к новым технологиям.
«Мы были полностью удивлены тем, насколько мощным является этот ультратонкий кристалл; он не только может удерживать энергию, но и доставлять ее в тысячу раз дальше, чем кто-либо видел в подобных системах. Захваченный свет также ведет себя так, как будто он путешествует в двумерном пространстве», — сказал Дживун Пак, ведущий автор исследования, профессор и заведующий кафедрой химии в Институте Джеймса Франка и Притцкеровской школе молекулярной инженерии.
направляющий свет
Недавно изобретенная система представляет собой метод направления света, известный как волновод, который является двумерным по своей природе. В ходе испытаний исследователи обнаружили, что они могут направлять свет по пути чипа, используя чрезвычайно крошечные призмы, линзы и переключатели — все элементы схемы и вычислений.
Фотонные схемы уже существуют, но они гораздо крупнее и трехмернее. Важно отметить, что в существующих волноводах частицы света — так называемые фотоны — всегда распространяются внутри волновода.
Ученые объясняют, что в этой системе стеклянный кристалл на самом деле тоньше, чем сам фотон, поэтому часть фотона фактически высовывается из кристалла во время своего путешествия.
Профессор Дживун Пак (слева) и ученый Ханью Хон (справа) исследуют материал в лаборатории Пака в Чикагском университете. В тестах они могут использовать крошечные призмы, линзы и переключатели, чтобы направлять свет вдоль пути прохождения чипа — все элементы схемотехники и вычислений. Фото предоставлено: Жан-Раша
Это немного похоже на строительство трубки для перевозки чемоданов в аэропорту, а не на постановку чемоданов на конвейер. На конвейерной ленте чемоданы располагаются под открытым небом, и вы можете легко увидеть и отрегулировать их в пути. Такой подход облегчает создание сложных устройств из кристаллов стекла, поскольку свет может легко проходить через линзы или призмы.
Фотоны также могут получать информацию об условиях на своем пути. Подумайте об этом, проверяя свой чемодан, входящий снаружи, чтобы узнать, идет ли на улице снег. Точно так же ученые могли бы представить себе использование этих волноводов для создания датчиков микроскопического уровня.
«Предположим, у вас есть образец жидкости и вы хотите ощутить присутствие определенной молекулы», — объясняет Парк. «Вы можете спроектировать его так, чтобы волновод проходил через образец, и присутствие этой молекулы меняло поведение света».
Ученые также заинтересованы в создании очень тонких фотонных схем, которые можно будет накладывать друг на друга, чтобы интегрировать более крошечные устройства на одной и той же площади чипа. Стеклянный кристалл, который они использовали в этих экспериментах, представлял собой дисульфид молибдена, но этот принцип применим и к другим материалам.
Хотя учёные-теоретики предсказывали, что такое поведение должно существовать, на самом деле его достижение в лаборатории заняло годы, говорят учёные.
«Это была чрезвычайно сложная, но приносящая удовлетворение проблема, потому что мы вошли в совершенно новую область. Поэтому все, что нам нужно, пришлось разрабатывать самим — от выращивания материала до измерения движения света», — сказал Ханью Хонг, аспирант и соавтор статьи.