Chercheurs du Centre de photonique et matériaux bidimensionnels du MIPT, avec leurs collègues d'Espagne, Grande Bretagne, Suède, et Singapour, y compris le co-créateur du premier matériau 2D au monde et lauréat du prix Nobel Konstantin Novoselov, ont mesuré pour la première fois l'anisotropie optique géante dans des cristaux de disulfure de molybdène en couches. Les scientifiques suggèrent que de tels cristaux de dichalcogénure de métal de transition remplaceront le silicium en photonique. Biréfringence avec une différence géante dans les indices de réfraction, caractéristique de ces substances, permettra de développer des dispositifs optiques plus rapides mais minuscules. L'ouvrage est publié dans la revue Communication Nature .

Les Vikings scandinaves furent les premiers, entre autres, d'observer des effets polarisants en optique. Ils ont découvert que les objets semblaient doublés lorsqu'ils étaient vus à travers le longeron d'Islande (calcite claire). Ce phénomène fut plus tard appelé biréfringence. L'effet est dû à la disposition asymétrique des atomes dans certains matériaux. Par conséquent, un faisceau lumineux se réfracte différemment dans le matériau, selon la direction dans laquelle il se propage, se diviser en deux faisceaux polarisés linéairement (l'ordinaire et l'extraordinaire) et créer une image doublée.

Il s'avère que le phénomène de biréfringence est très pratique. Par exemple, les Vikings utilisaient la double réfraction de certains cristaux pour la navigation. Les moniteurs à cristaux liquides actuels utilisent l'effet de biréfringence dans les cristaux liquides pour créer des images. Le phénomène est également utilisé pour construire des polariseurs, plaques à vagues, et d'autres composants optiques. Il est souhaitable que les indices de réfraction des faisceaux ordinaires et extraordinaires diffèrent autant que possible - alors l'effet souhaité peut être obtenu lorsque la lumière traverse une plaque plus mince, contribuant ainsi à réduire la taille de l'appareil, et dans certaines applications, augmenter sa vitesse. Des chercheurs ont récemment démontré la possibilité de construire des guides d'ondes ultra-compacts avec des matériaux anisotropes pour atteindre et même dépasser la limite de diffraction.

L'effet nécessite des matériaux avec une valeur de biréfringence supérieure à 1. Jusqu'à présent, le BaTiS 3 les cristaux stratifiés de pérovskite et le nitrure de bore hexagonal h-BN ont détenu le record de biréfringence (0,8). Le désir de rendre l'optique moderne de plus en plus compacte a stimulé la recherche de matériaux naturels avec une grande anisotropie optique supérieure à 1. Les dichalcogénures de métaux de transition sont extrêmement prometteurs à cet égard. Ces composés à base de soufre, sélénium, tellure, et les éléments 3D du tableau périodique de Mendeleev ont une structure en couches. Par exemple, bisulfure de molybdène (MoS 2 ) se compose de couches alternées tournées les unes par rapport aux autres de 180 degrés et maintenues ensemble par de faibles forces de van der Waals (figure 1).

"De la tâche de mesurer les propriétés optiques du bisulfure de molybdène, nous sommes arrivés à un problème complètement différent, à savoir, étudier l'anisotropie et trouver des applications prometteuses de l'anisotropie de tels cristaux en photonique, " Georgy Ermolaev, doctorat étudiant au MIPT et premier auteur de l'étude, dit.

Cette structure anisotrope ne pouvait qu'affecter les propriétés optiques du matériau. Ce fait était déjà connu dans la seconde moitié du XXe siècle. Cependant, les mesures quantitatives de l'anisotropie étaient inexistantes. C'était dû, entre autres, à des difficultés expérimentales considérables. Pour les surmonter, les chercheurs ont combiné des méthodes de champs électriques proches et lointains. En d'autres termes, en plus d'irradier le matériau sous différents angles et de détecter le signal, les auteurs ont étudié la propagation des modes guides d'ondes dans le matériau. Cette approche leur a permis de déterminer sans ambiguïté la biréfringence du matériau, qui est de 1,5 dans le proche infrarouge et jusqu'à trois fois dans le visible. Ces valeurs sont plusieurs fois supérieures à celles des précédents records.

« Nous avons utilisé une combinaison de techniques - ellipsométrie spectrale et microscopie optique en champ proche et vérifié nos données avec des calculs numériques. Le travail a nécessité les efforts d'un grand nombre de scientifiques de différentes équipes scientifiques dans différents pays et avec des compétences différentes. Pour tous nous, ce travail a été le début de recherches à grande échelle sur la nanophotonique des dichalcogénures de métaux de transition anisotropes, " a commenté Alexeï Arsenin, un chercheur de premier plan au MIPT.

Les données obtenues ont été comparées à des calculs quantiques, lequel, à la surprise des chercheurs, produit exactement le même résultat, confirmant ainsi l'exactitude du modèle de mécanique quantique construit des matériaux stratifiés et suggérant que la théorie et les conclusions publiées dans l'article sont applicables à l'ensemble de la classe des dichalcogénures de métaux de transition.

Les chercheurs ont complètement redécouvert pour le monde une classe de matériaux avec une énorme anisotropie optique. La découverte offre un degré de liberté supplémentaire dans le développement de dispositifs photoniques compacts et. Par exemple, il permet d'atteindre la limite de diffraction en optique pour des systèmes de guidage d'ondes de dimensions caractéristiques de l'ordre de 100 nanomètres.

Les travaux ont été dirigés par le professeur Valentin Volkov. Il a quitté l'Université du Danemark du Sud pour le MIPT en septembre 2019 pour diriger le Centre de photonique et de matériaux bidimensionnels. "Alors qu'auparavant nous étions limités à des changements de géométrie et d'indice de réfraction effectif pour créer de nouveaux circuits et dispositifs optiques, l'anisotropie géante offre un degré de liberté supplémentaire pour manipuler la lumière, " dit Volkov. " De façon inattendue, nous avons découvert que les matériaux naturellement anisotropes nous permettent de construire des guides d'ondes compacts littéralement au bord de la limite de diffraction. Cela nous donne l'opportunité de rivaliser avec la photonique sur silicium. Maintenant, nous pouvons non seulement parler en toute sécurité de la photonique post-silicium, mais aussi la mettre en œuvre. »