Новая технология защиты позволяет крошечному чипу сохранять свет в миллионы раз дольше
Команда исследователей разработала новый способ удерживать свет на чипе в течение миллионов циклов, преодолев давнюю проблему в области проектирования фотонных устройств. Этот подход позволяет придавать форму деликатным атомарно тонким материалам без повреждения, открывая их потенциал для высокопроизводительных оптических систем.
Работа фокусируется на ван-дер-ваальсовых материалах — классе сверхтонких веществ, известных своими исключительными оптическими и электронными свойствами. Несмотря на их многообещающий характер, эти материалы было трудно использовать в качестве структурных компонентов, потому что стандартные методы изготовления могут легко их повредить.
Чтобы решить эту проблему, исследователи ввели защитный этап перед изготовлением. Они покрыли материал тонким слоем алюминия, который поглощает воздействие агрессивных инструментов обработки, позволяя проводить точное придание формы на наноуровне без ухудшения свойств материала. Используя этот метод, команда создала крошечные структуры в форме дисков, которые могут чрезвычайно эффективно удерживать свет. Эти микродиски позволяют свету циркулировать многократно с минимальными потерями, достигая уровней производительности, которые ранее не были достигнуты с такими материалами.
«Однако, несмотря на их огромный потенциал, использование ван-дер-ваальсовых материалов в качестве структурных строительных блоков оставалось серьезной проблемой», — сказал Сяоци Цуй. Защитное покрытие действует как временный барьер во время изготовления, позволяя проводить то, что исследователи описывают как нанохирургию. «Этот алюминиевый слой работает как микроскопический доспех», — сказал Андреас Лиапис. «Он поглощает разрушительное воздействие ионного пучка».
Результатом стал набор структур с идеально гладкой поверхностью, которые сохраняют кристаллическое качество материала, достигая при этом высокой точности. Эти устройства достигли коэффициентов качества выше 1 000 000, что означает, что лишь крошечная доля света теряется во время каждого цикла. В практическом выражении свет может циркулировать внутри структуры миллионы раз, прежде чем исчезнуть. «Эта производительность превосходит предыдущие ван-дер-ваальсовы резонансные системы на три порядка величины», — сказал Чжипэй Сунь.
Способность удерживать свет столь эффективно имеет важные последствия. Когда свет остается заключенным внутри структуры, он взаимодействует с материалом сильнее, усиливая оптические эффекты, которые в противном случае были бы слабыми. При испытаниях исследователи наблюдали 10 000-кратное увеличение эффективности при генерации второй гармоники — процессе, используемом для преобразования света из одной частоты в другую. Такой уровень улучшения открывает новые возможности для компактных фотонных систем.
Это достижение также переводит ван-дер-ваальсовы материалы из пассивных компонентов в активные строительные блоки фотонных устройств. Это могло бы поддержать разработку реконфигурируемых схем, квантовых источников света и высокочувствительных датчиков, интегрированных непосредственно на чипы. В более широком смысле, исследование показывает, что материалы, которые когда-то считались слишком хрупкими, теперь могут быть преобразованы в функциональные устройства с рекордной производительностью. Оно также подчеркивает, как сочетание защитных методов изготовления с передовыми материалами может открыть новые возможности в фотонике.
Подход также выигрывает от естественно гладких, бездефектных поверхностей этих материалов, которые уменьшают рассеивание света и улучшают производительность. Сочетая точное изготовление с сильными свойствами материала, метод приближает фотонные чипы к реальным приложениям в вычислениях и сенсорике.
Результаты были в журнале Nature Materials.