Ученые из Исследовательского центра перспективных технологий XPANCEO в сотрудничестве с лауреатом Нобелевской премии профессором Константином Новоселовым (Манчестерский университет и Национальный университет Сингапура) открыли новые оптические свойства трисульфида мышьяка (As2S3), кристаллического полупроводника ван-дер-ваальсова типа.
Результаты исследования показывают, что этот материал можно необратимо модифицировать с помощью света и придавать ему физическую форму на наноуровне с помощью простого непрерывного (CW) излучения, полностью исключив необходимость в сложной многомиллионной литографии в чистых помещениях или дорогостоящих фемтосекундных импульсных лазерах.
Чтобы связать эту возможность с привычным понятием, рассмотрим показатель преломления — ключевое свойство, которое показывает, насколько сильно материал преломляет или замедляет свет. Чем выше показатель преломления, тем лучше материал улавливает свет и направляет его через устройство. Фоторефрактивность — это изменение показателя преломления при взаимодействии света с материалом. Такая реакция может возникать в кристаллическом As2S3 даже при слабом ультрафиолетовом освещении. Согласно результатам исследования, кристаллический As2S3 демонстрирует необычно большое изменение показателя преломления под воздействием света (до Δn ≈ 0,3), что выше значений, характерных для классических фоторефрактивных кристаллов, таких как BaTiO3 или LiNbO3.
Материалы с сильным фоторефрактивным эффектом ценны тем, что позволяют с помощью света напрямую «закладывать» оптическую функцию в материал, а не создавать ее с помощью множества механических этапов. В реальной жизни этот механизм позволяет создавать компоненты, которые формируют и направляют свет в повседневных технологиях: крошечные оптические структуры, которые помогают направлять свет в телекоммуникационном оборудовании, дифракционные элементы, используемые в компактных датчиках и системах визуализации, а также голограммная оптика, применяемая для защиты продуктов и документов, где сам оптический узор становится идентификатором.
В As2S3 этот подход применяется в гораздо более мелком масштабе. Необычайно сильная модуляция показателя преломления помогает объяснить, почему этот материал может содержать мельчайшие «оптические отпечатки» в прозрачном формате. Такие узоры сложно воспроизвести, и они могут служить идентификаторами для защиты от подделок и отслеживания — от дорогостоящих товаров до критически важных компонентов. Чтобы продемонстрировать эту точность, научная группа использовала стандартный лазер, чтобы «вылепить» микроскопический монохромный портрет Альберта Эйнштейна на чешуйке материала, расположив точки на расстоянии 700 нанометров друг от друга. В ходе отдельных экспериментов исследователи показали, что этот метод можно использовать для еще более тонкой работы (до ~50 000 точек на дюйм, что соответствует расстоянию между точками в 500 нанометров), при этом за счет изменения показателя преломления под воздействием света достигается сильный оптический контраст, благодаря чему написанный узор четко виден при оптическом считывании.
«Открытие новых функциональных материалов, особенно из уникального семейства ван-дер-ваальсовых кристаллов, является фундаментальным фактором для дальнейшего развития всей области фотоники. Разработка сложных оптических устройств, таких как усовершенствованные смарт-линзы, — чрезвычайно сложная задача, требующая прочных фундаментальных знаний в области материаловедения. В таких системах сам материал является ключевым компонентом, определяющим физические возможности устройства». Обнаружив природные кристаллы с таким уровнем чувствительности, мы фактически получили необходимые компоненты для технологий нового поколения, которые будут работать исключительно за счет света, а не электричества». — Валентин Волков, основатель и технический директор Исследовательского центра перспективных технологий XPANCEO
Истинный потенциал As2S3 заключается в его многофункциональности для более широкого спектра оптического оборудования. Его способность физически расширяться под воздействием света на 5 % позволяет исследователям «вырезать» оптические элементы, такие как микролинзы и дифракционные решётки, прямо на поверхности материала. Эти свойства необходимы для создания сверхширокоугольных волноводов, которые требуются для очков дополненной реальности с эффектом погружения и умных контактных линз. Помимо использования в носимых устройствах, чувствительность этого материала позволяет применять его в фотонных схемах и наноразмерных датчиках, что знаменует собой значительный прорыв в наших возможностях направлять свет и управлять им.