Вчені винайшли найменший з відомих способів спрямування світла

Спрямування світла з одного місця в інше є основою нашого сучасного світу. Під океанами та через континенти оптоволоконні кабелі несуть світло, яке передає все, від відео на YouTube до банківських переказів – і все це всередині ниток розміром з волосину.

Професор Чиказького університету Джівун Парк (Jiwoong Park), однак, загадується над питанням, що станеться, якщо ви зробите ще тонші та плоскіші нитки – фактично, настільки тонкі, що вони стануть 2D, а не 3D. Що станеться зі світлом?

Провівши серію інноваційних експериментів, він і його команда виявили, що лист скляного кристала товщиною всього в кілька атомів може вловлювати та переносити світло. Він виявився напрочуд ефективним і міг подорожувати на відносно великі відстані – до сантиметра. Це дуже далеко у світі обчислень на основі світла.

Дослідження, опубліковане 10 серпня в журналі Science, демонструє, що таке 2D фотонні схеми, і може відкрити шлях до нових технологій.

«Ми були надзвичайно здивовані тим, наскільки потужним є цей надтонкий кристал; він не тільки може утримувати енергію, але й передавати її в тисячу разів далі, ніж будь-хто бачив у подібних системах», – сказав провідний автор дослідження Дживун Пак (Jiwoong Park), професор, завідувач кафедри хімії та викладач Інституту Джеймса Франка та Прітцкерської школи молекулярної інженерії. «Захоплене світло також поводилося так, ніби воно подорожує у двовимірному просторі».

Спрямовуючи світло

Нещодавно винайдена система – це спосіб спрямування світла, відомий як хвилевід, який є по суті двовимірним. Під час випробувань дослідники виявили, що вони можуть використовувати надзвичайно крихітні призми, лінзи та перемикачі, щоб спрямовувати світло вздовж чіпа – всі інгредієнти для схем та обчислень.

Фотонні схеми вже існують, але вони набагато більші й тривимірні. Важливо, що в наявних хвилеводах частинки світла, які називаються фотонами, завжди рухаються всередині хвилеводу.

У цій системі скляний кристал насправді тонший за сам фотон – тому частина фотона фактично стирчить з кристала, коли він рухається.

Це нагадує різницю між будівництвом труби для транспортування валіз в аеропорту та встановленням їх на конвеєрній стрічці. На конвеєрній стрічці валізи відкриті для повітря, і ви можете легко бачити й регулювати їх по дорозі. Такий підхід значно полегшує створення складних пристроїв зі скляними кристалами, оскільки світло можна легко переміщати за допомогою лінз або призм.

Фотони також можуть отримувати інформацію про умови на своєму шляху. Уявіть собі, як ви перевіряєте валізи, що надходять з вулиці, щоб дізнатися, чи йде сніг. Так само вчені можуть уявити собі використання цих хвилеводів для створення сенсорів на мікроскопічному рівні.

«Наприклад, скажімо, у вас є зразок рідини, і ви хочете відчути, чи присутня в ній певна молекула», – пояснює Парк. «Ви можете сконструювати його так, щоб цей хвилевід проходив крізь зразок, і присутність цієї молекули змінила б поведінку світла».

Вчені також зацікавлені у створенні дуже тонких фотонних ланцюгів, які можна було б складати, щоб інтегрувати набагато більше крихітних пристроїв в ту саму площу чіпа. Скляний кристал, який вони використовували в цих експериментах, був дисульфідом молібдену, але принципи повинні працювати й для інших матеріалів.

Хоча вчені-теоретики передбачали, що така поведінка повинна існувати, фактична реалізація її в лабораторії була багаторічною подорожжю, кажуть вчені.

«Це була дійсно складна, але приємна проблема, тому що ми входили в абсолютно нову сферу. Тому все, що нам було потрібно, ми повинні були розробити самі – від вирощування матеріалу до вимірювання того, як рухається світло», – сказав аспірант Ханю Хонг, один з перших авторів статті.

Іншим першим співавтором статті був М’юнгдже Лі (колишній постдокторський дослідник в Університеті Чикаго, а нині викладач Сеульського національного університету). Постдокторський дослідник Jaehyung Yu, Fauzia Mujid (PhD’22, зараз в Ecolab) і аспіранти Andrew Ye і Ce Liang також були авторами статті.

Вчені використовували Науково-інженерний центр дослідження матеріалів Чиказького університету, виробничі потужності Прітцкерської нанофабрики та Корнелльського центру дослідження матеріалів.