Ricercatori del Centro di Fotonica e Materiali Bidimensionali del MIPT, insieme ai loro colleghi spagnoli, Gran Bretagna, Svezia, e Singapore, incluso il co-creatore del primo materiale 2-D al mondo e il premio Nobel Konstantin Novoselov, hanno misurato per la prima volta l'anisotropia ottica gigante in cristalli stratificati di disolfuro di molibdeno. Gli scienziati suggeriscono che tali cristalli di dicalcogenuro di metallo di transizione sostituiranno il silicio nella fotonica. Birifrangenza con una differenza enorme negli indici di rifrazione, caratteristica di queste sostanze, consentirà di sviluppare dispositivi ottici più veloci ma piccoli. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I vichinghi scandinavi furono i primi, tra gli altri, per osservare gli effetti di polarizzazione nell'ottica. Hanno scoperto che gli oggetti apparivano raddoppiati se visti attraverso il longarone islandese (calcite chiara). Quel fenomeno fu poi chiamato birifrangenza. L'effetto è dovuto alla disposizione asimmetrica degli atomi in alcuni materiali. Di conseguenza, un raggio di luce si rifrange in modo diverso nel materiale, a seconda della direzione in cui si propaga, dividendosi in due fasci linearmente polarizzati (ordinario e straordinario) e creando un'immagine raddoppiata.

Si scopre che il fenomeno della birifrangenza è molto pratico. Per esempio, i Vichinghi usavano la doppia rifrazione di alcuni cristalli per la navigazione. Gli attuali monitor a cristalli liquidi utilizzano l'effetto di birifrangenza nei cristalli liquidi per creare immagini. Il fenomeno viene utilizzato anche per costruire polarizzatori, piastre d'onda, e altri componenti ottici. È auspicabile che gli indici di rifrazione dei raggi ordinari e straordinari differiscano il più possibile, quindi l'effetto desiderato può essere ottenuto quando la luce passa attraverso una lastra più sottile, contribuendo così a ridurre le dimensioni del dispositivo, e in alcune applicazioni, aumentarne la velocità. I ricercatori hanno recentemente dimostrato la possibilità di costruire guide d'onda ultracompatte con materiali anisotropi per raggiungere e persino superare il limite di diffrazione.

L'effetto richiede materiali con un valore di birifrangenza maggiore di 1. Finora, il BaTiS ₃ i cristalli stratificati di perovskite e il nitruro di boro esagonale h-BN hanno detenuto il record di birifrangenza (0,8). Il desiderio di rendere l'ottica moderna sempre più compatta ha stimolato la ricerca di materiali naturali con un'enorme anisotropia ottica maggiore di 1. I dicalcogenuri dei metalli di transizione sono estremamente promettenti in questo senso. Questi composti a base di zolfo, selenio, tellurio, e gli elementi 3d della tavola periodica di Mendeleev hanno una struttura a strati. Per esempio, bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ) è costituito da strati alternati ruotati l'uno rispetto all'altro di 180 gradi e tenuti insieme da deboli forze di van der Waals (Figura 1).

"Dal compito di misurare le proprietà ottiche del bisolfuro di molibdeno, siamo arrivati ​​a un problema completamente diverso, vale a dire, studiare l'anisotropia e trovare applicazioni promettenti dell'anisotropia di tali cristalli nella fotonica, "Giorgio Ermolaev, dottorato di ricerca studente al MIPT e primo autore dello studio, dice.

Questa struttura anisotropa non poteva che influenzare le proprietà ottiche del materiale. Questo fatto era noto già nella seconda metà del XX secolo. Però, le misurazioni quantitative dell'anisotropia erano inesistenti. Questo era dovuto, tra l'altro, a notevoli difficoltà sperimentali. Per superarli, i ricercatori hanno combinato metodi di campi elettrici vicini e lontani. In altre parole, oltre a irradiare il materiale con diverse angolazioni e rilevare il segnale, gli autori hanno studiato la propagazione dei modi di guida d'onda nel materiale. Questo approccio ha permesso loro di determinare senza ambiguità la birifrangenza del materiale, che è 1,5 nel vicino infrarosso e fino a tre volte nel campo del visibile. Questi valori sono molte volte maggiori di quelli dei precedenti recordman.

"Abbiamo utilizzato una combinazione di tecniche:ellissometria spettrale e microscopia ottica in campo vicino e abbiamo verificato i nostri dati con calcoli numerici. Il lavoro ha richiesto gli sforzi di un gran numero di scienziati di diversi team scientifici in diversi paesi e con diverse competenze. Per tutti noi, questo lavoro è stato l'inizio di una ricerca su larga scala sulla nanofotonica dei dichalcogenuri di metalli di transizione anisotropi, " ha commentato Aleksey Arsenin, uno dei principali ricercatori del MIPT.

I dati ottenuti sono stati confrontati con calcoli quantistici, quale, con sorpresa dei ricercatori, prodotto esattamente lo stesso risultato, confermando così la correttezza del modello quantomeccanico costruito dei materiali stratificati e suggerendo che la teoria e le conclusioni pubblicate nell'articolo sono applicabili all'intera classe dei dicalcogenuri dei metalli di transizione.

I ricercatori hanno completamente riscoperto per il mondo una classe di materiali con un'enorme anisotropia ottica. La scoperta offre un ulteriore grado di libertà nello sviluppo di dispositivi fotonici compatti e. Per esempio, permette di raggiungere il limite di diffrazione in ottica per sistemi di guida d'onda con dimensioni caratteristiche di circa 100 nanometri.

Il lavoro è stato condotto dal professor Valentyn Volkov. Si è trasferito dall'Università della Danimarca meridionale al MIPT nel settembre 2019 per dirigere il Centro per la fotonica e i materiali bidimensionali. "Mentre in precedenza eravamo limitati ai cambiamenti nella geometria e nell'indice di rifrazione effettivo per creare nuovi circuiti e dispositivi ottici, l'anisotropia gigante fornisce un ulteriore grado di libertà per manipolare la luce, " dice Volkov. "Inaspettatamente, abbiamo scoperto che i materiali naturalmente anisotropi ci consentono di costruire guide d'onda compatte letteralmente al limite del limite di diffrazione. Ci dà l'opportunità di competere con la fotonica del silicio. Ora possiamo tranquillamente non solo parlare di fotonica post-silicio, ma anche implementarla".