Des chercheurs de l'ITMO ont découvert un matériau ultra-sensible à la lumière. De plus, ils ont pu identifier un paramètre qui aidera à trouver d'autres structures avec des coefficients de réfraction élevés. Cette découverte nous rapprochera du développement d'éléments compacts et efficaces pour les ordinateurs optiques—lasers, frites, et capteurs. La recherche est publiée dans Nanophotonique .

Chaque année, il y a une demande croissante pour des ordinateurs plus puissants et plus avancés. Le problème avec les classiques, bien que, réside dans les électrons qui y jouent un rôle majeur. Dans toute structure traversée par un courant électrique, il y a un risque de surchauffe, ce qui crée des limitations fondamentales sur la taille minimale des éléments de calcul. Une solution à ce problème réside dans les calculateurs optiques qui traiteront les informations transmises par le mouvement des photons qui ne chauffent pas, contrairement aux électrons.

"Nous atteindrons bientôt la limite lorsque toute nouvelle modernisation des machines à électrons ne permettra pas l'augmentation nécessaire de l'efficacité. Pour commencer à utiliser des ordinateurs optiques, nous devons créer des puces et des lasers de taille comparable. Nous avons besoin de matériaux à coefficients de réfraction élevés pour développer des éléments optiques à l'échelle nanométrique. Le coefficient de réfraction nous indique dans quelle mesure une structure réagit à la lumière. Si son interaction avec la lumière est faible, alors l'appareil fonctionnera en conséquence, " explique Anton Shubnic, étudiant à la Faculté de Physique et d'Ingénierie de l'ITMO.

Il n'y a pas beaucoup de matériaux très sensibles à la lumière. L'un d'eux est le silicium (Si), avec un coefficient de réfraction de 4. Il n'y a pas de matériaux connus avec un coefficient de réfraction plus élevé dans le domaine visible. De plus, les chercheurs admettent, ce n'est pas tout à fait clair, où l'on pouvait les chercher. Après de nombreux calculs mathématiques, Les physiciens de l'Université ITMO ont pu identifier un paramètre qui pourrait indiquer la vitesse à laquelle la lumière traverserait un semi-conducteur avant des expériences physiques ou une modélisation de calcul complexe. Ce paramètre dépend des propriétés électroniques d'un matériau :sa bande interdite et la masse effective d'un électron.

"Nous avons concentré notre attention sur les semi-conducteurs. Ces matériaux ont des bandes interdites, connu pour la plupart d'entre eux et fréquemment utilisé. En optique, la bande interdite détermine la longueur d'onde maximale à laquelle un matériau reste transparent. Le deuxième paramètre est la masse effective de l'électron. Lors de l'interaction avec d'autres particules dans un matériau, les électrons agiraient comme des particules avec une masse différente de celle qu'ils ont à l'origine, " explique Ivan Iorsh, directeur du Laboratoire international des photoprocédés dans les systèmes mésoscopiques de l'Université ITMO.

La bande interdite est une plage d'énergie que les électrons ne peuvent pas avoir dans un certain matériau. Si l'énergie d'un photon est inférieure à la bande interdite, alors la lumière peut se répandre dans le matériau, et si l'énergie est plus, alors la lumière sera absorbée. En optique, la bande interdite détermine la longueur d'onde maximale à laquelle un matériau reste transparent. Ce paramètre est connu pour de nombreux matériaux et est activement utilisé. Le deuxième paramètre est la masse effective de l'électron. Lors de l'interaction avec d'autres particules dans un matériau, les électrons agiraient comme s'ils avaient une masse différente de celle qu'ils ont à l'origine. Et cette nouvelle masse est connue sous le nom de masse effective.

Le modèle théorique a démontré que plus le rapport est élevé entre ces deux paramètres, plus le coefficient de réfraction doit être élevé. D'abord, les chercheurs ont testé leur hypothèse sur des matériaux connus tels que le silicium, puis se sont tournés vers les moins étudiés. Par conséquent, ils ont découvert le diséléniure de rhénium (ReSe 2 ), un matériau très prometteur pour les éléments optiques. Il s'est avéré que ReSe 2 a un coefficient de réfraction de 6,5 à 7 dans le domaine visible, ce qui est nettement supérieur à celui du silicium.

Maintenant, les chercheurs prévoient de lancer une recherche mondiale dans des bases de données ouvertes sur les propriétés électroniques des matériaux pour trouver d'autres substances à coefficient de réfraction élevé, auparavant ignorés par les spécialistes de l'optique.