Тоньше фотона: изобретен самый миниатюрный волновод для передачи света

С помощью серии инновационных экспериментов ученые из Чикагского университета постарались ответить на этот вопрос и обнаружили, что лист кристаллического стекла толщиной всего в несколько атомов может улавливать и переносить свет. Более того, такой передатчик оказался удивительно эффективным — его дальность действия достигала целого сантиметра, что очень много в мире световых вычислений.

Исследование, опубликованное в журнале Science, демонстрирует новые фотонные схемы и может открыть путь к новым технологиям.

Авторы эксперимента были удивлены, увидев всю мощь сверхтонкого кристалла: он способен удерживать энергию и доставлять ее в тысячу раз дальше, чем когда-либо наблюдалось в подобных системах. Поведение захваченного света напоминало таковое в двумерном пространстве.

Новая система представляет собой двумерный волновод, используемый для направления света. В ходе испытаний ученые обнаружили, что они могут направлять свет сквозь чип, используя чрезвычайно крошечные призмы, линзы и переключатели — то есть все компоненты, обычно используемые для схем и вычислений.

Фотонные схемы в настоящее время уже существуют, но они гораздо крупнее и являются трехмерными системами. Кроме того, в ныне существующих волноводах частицы света — фотоны — всегда движутся внутри волновода. В новой системе стеклянный кристалл тоньше самого фотона, поэтому часть фотона во время движения «высовывается» из кристалла.

Во время передвижения фотоны могут собирать информацию об окружающей среде. Ученые предполагают создание крошечных датчиков с использованием этих волноводов. Например, есть образец жидкости и нужно определить, присутствует ли в нем определенная молекула. Тогда систему из эксперимента можно спроектировать так, чтобы волновод проходил через образец, и присутствие определенной молекулы меняло бы поведение света.

Ученые также заинтересованы в создании очень тонких фотонных схем, которые можно было бы наслаивать для интеграции огромного количества крошечных устройств в одну и ту же область чипа. В рассматриваемом исследовании в качестве кристалла выступал дисульфид молибдена, но концепцию возможно применять и к другим материалам.

В теории уже не раз предсказывалось, что описанное в исследовании поведение света должно существовать, но для реализации его в лабораторных условиях потребовалось много лет. Авторам работы пришлось изобретать все составляющие эксперимента самостоятельно — — они занимались всем, от выращивания материала до измерения движения света.