Физики МГУ усилили нелинейные эффекты в 100 раз. Прорыв в нанофотонике

Исследование физиков МГУ продемонстрировало, что охлаждение двумерных материалов до -263°C может усилить нелинейные оптические эффекты в 100 раз, открывая новые возможности для нанофотоники.

Физики из Московского государственного университета впервые показали, что охлаждение двумерных материалов на диэлектрических метаповерхностях до 10 градусов Кельвина значительно усиливает нелинейные оптические эффекты. Это открытие может стать важным шагом в развитии оптических коммуникаций и миниатюрных устройств. Результаты исследования опубликованы в журнале Q1 Nanophotonics.

Нелинейные оптические эффекты важны для оптических коммуникаций, так как они позволяют модулировать передаваемую информацию, увеличивать пропускную способность и дальность передачи. Эти эффекты также лежат в основе работы лазеров, генерирующих новые частоты света. Однако, из-за их слабости, для значительного усиления требуется использовать макроскопические среды, что ограничивает миниатюризацию устройств.

«Нелинейная нанофотоника предоставляет много возможностей для создания миниатюрных наноустройств повышенной эффективности, которые нам еще предстоит реализовать»

— Александр Мусорин, доцент кафедры нанофотоники

В исследовании ученые использовали атомарно-тонкий слой материала с квадратичной нелинейной восприимчивостью, помещенный на метаповерхность и охлажденный до гелиевых температур. Метаповерхность представляла собой структуру диэлектрических нанодисков, которые поддерживают оптические резонансы. Охлаждение снижает тепловое движение электронов и усиливает нелинейные свойства двумерного материала – монослоя дихалькогенида переходного металла MoSe2. Изменяя угол падения излучения, ученые добились совпадения частоты резонанса метаповерхности и нелинейного материала, что привело к 20-кратному усилению интенсивности второй оптической гармоники при комнатной температуре. При охлаждении системы до -263°C усиление достигло 100 раз.

Нелинейная нанофотоника активно развивается в последние годы и имеет большое значение для оптоэлектроники, сенсоров и компактных лазеров.

«Проведенный эксперимент можно смело отнести к научным работам мирового уровня. Полученные данные могут быть использованы при создании источников излучения на фотонном чипе. Все это стало возможным благодаря сплоченности коллектива, поддержке Программы развития МГУ и Российского научного фонда»

— Андрей Федянин, заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ

Исследование стало результатом международного сотрудничества МГУ, Института исследований и проектирования материалов в Сингапуре и Технологического университета Сиднея. Прогнозирование эффектов, численное моделирование и экспериментальное подтверждение были выполнены в Московском университете, а изготовление образцов – коллегами из Сингапура и Австралии.