Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами из Великобритании и Сингапура открыли топологические фазовые особенности двумерных материалов. Эффект может вывести оптическую инженерию на новый технологический уровень. Использование открытия на примере биосенсоров сразу дало рекордную чувствительность. Научная статья опубликована в Nature Communications.
Если ХХ век был веком полупроводников, то ХХI век — это век двумерных материалов. Одна из самых перспективных областей применения материалов толщиной в один атом — оптика. Если вы носите очки, то знаете, что ваши линзы имеют строго определенные диоптрии, а острота вашего зрения в течение дня меняется. С помощью двумерных материалов можно сделать линзы, свойства которых можно будет менять в зависимости от изменения особенностей вашего зрения.
Одна из ключевых проблем, которая отделяет нас от этого светлого будущего, — огромная разница в 1000 раз в размерах между длинной волны света и толщиной двумерных материалов. Поэтому на данный момент эффективность двумерных материалов в оптике очень низкая.
Основное внимание в исследованиях в оптике ученые уделяют фазе волны — тому, сколько волна идет внутри материала. Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ изучают возможности «накопления фазы» в двумерном материале, то есть то, как заставить свет находиться внутри совершенно плоского материала достаточно долго для изменения работы системы. Им удалось найти нужную топологию в системе «двумерный материал — подложка».
У некоторых двумерных материалов большой оптический отклик. Например, ряд дихалькогенидов переходных металлов имеют огромный показатель преломления — более 4. Для сравнения, у воды этот показатель — всего 1,3.
«Мы использовали дихалькогениды переходных металлов и в частности диселенид палладия. Несмотря на то, что материал всего лишь атомарной толщины, его взаимодействие со светом колоссально. Эта пленка поглощала свет вплоть до 20%! Мы использовали это колоссальное взаимодействие, чтобы найти топологию, позволяющую получить фазовые изменения», — говорит Георгий Ермолаев, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Схема для наблюдения фазовых особенностей в ультратонких пленках HRIM. Источник: Nature Сommunications
Двумерный материал находится на подложке, имеющей слоистую структуру. Чаще всего это кремниевая подложка с оксидом кремния. У этого материала совсем другой коэффициент преломления, сильно отличающийся от изучаемых материалов. В результате подложка обладает поверхностью нулевого отражения. За счет разницы между коэффициентами преломления двумерного материала и подложки образуется резкое изменение фазы световой волны. Ученые рассмотрели разные двумерные пленки на разных подложках. Эффект оказался универсальным. В зависимости от материала длина волны, на которой происходил скачок фазы, была разной.
Алексей Арсенин, заместитель руководителя Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ: «Двумерные материалы могут обеспечивать лишь небольшую оптическую фазовую задержку из-за того, что их толщина очень мала. Чтобы решить эту проблему, мы комбинируем пленки двумерных полупроводников с подложкой SiO2/Si. В результате получаем быстрые фазовые изменения. Кроме того, мы находим, что такие топологические фазовые сингулярности распространены повсеместно для всего класса атомарно тонких материалов с высоким показателем преломления».
Ученые применили найденный эффект для создания высокочувствительных биосенсоров.
Валентин Волков, руководитель Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ: «Чаще всего при анализах есть какая-то биологическая жидкость, и нужно определить наличие в ней определенного белка. Обычно концентрация очень маленькая. Наличие молекул белка меняет коэффициент преломления этой жидкости, но очень слабо. Мы положили двумерную пленку диселенида палладия на биосенсорный чип и получили рекордную чувствительность по сравнению со всеми остальными методиками измерения».
Найденный эффект является потенциально очень мощным инструментом фазовой инженерии в плоской оптике и может найти применение в огромном количестве приложений.
Исследование выполнено при поддержке мегагранта Правительства Российской Федерации № 075-15-2021-606.
