Вот он, недостающий элемент для квантовых компьютеров: кристалл толщиной 3 атома держит свет миллион оборотов

Материалы толщиной в несколько атомных слоев давно интересуют инженеров фотоники. У таких кристаллов редкое сочетание свойств: они хорошо работают со светом, ведут себя необычно в электронных схемах и подходят для очень компактных оптических элементов на чипе. Долгое время практическое применение упиралось в хрупкость. Стоило попытаться превратить тонкую пластинку в часть устройства, как стандартная обработка портила кристалл, вносила дефекты и резко ухудшала характеристики.

Исследователи нашли способ обойти это ограничение и показали, что ван-дер-ваальсовы материалы можно использовать не только как объект лабораторных экспериментов, но и как основу для высококачественных фотонных компонентов. Команда научилась удерживать свет в микроструктуре на чипе очень долго: излучение циркулирует внутри резонатора миллионы циклов, прежде чем заметно ослабеет. Для фотоники, где потери быстро съедают результат, такой показатель особенно важен.

Ван-дер-ваальсовы материалы представляют собой ультратонкие кристаллы, чьи слои удерживаются сравнительно слабыми межслоевыми силами. Такая структура позволяет получать очень тонкие пластинки с интересными оптическими и электронными свойствами. Но превратить подобный кристалл в полноценный элемент фотонного устройства оказалось куда труднее, чем просто измерить его параметры в лаборатории. Обычные методы нанофабрикации слишком грубы для настолько деликатной основы. Обработка повреждает поверхность, ухудшает кристаллическое качество и снижает параметры будущего прибора.

Авторы начали с защиты материала на этапе изготовления. Перед обработкой они нанесли на поверхность тонкий слой алюминия. Покрытие взяло на себя основную часть повреждающего воздействия инструментов, которые используют при формировании наноструктур. За счет такой прослойки исследователи смогли точно обрабатывать материал в наномасштабе и не разрушать исходный кристалл.

Защитный слой принимает удар на себя, поэтому после изготовления сохраняются гладкая поверхность и высокое качество материала. Для фотоники это особенно важно. Любая неровность или дефект рассеивает свет и увеличивает потери.

На основе этой технологии команда изготовила крошечные дискообразные структуры, то есть микродиски, которые работают как оптические резонаторы. Внутри такого элемента свет многократно движется по кругу вдоль края структуры. Чем лучше сделан резонатор, тем дольше излучение удерживается внутри и тем меньше энергии теряется на каждом обороте.

Главный показатель в таких устройствах называется "добротностью резонатора". В новой работе устройства достигли добротности выше 1 000 000. За этой цифрой стоит вполне понятный физический смысл: на каждом цикле теряется лишь крошечная доля света, поэтому излучение успевает сделать внутри структуры огромное число оборотов. Иначе говоря, резонатор не просто ненадолго задерживает свет, а удерживает его в миниатюрном объеме чипа очень долго.

Высокая добротность важна не сама по себе. Долгое удержание света резко усиливает его взаимодействие с материалом. Когда излучение заперто в небольшой структуре и много раз проходит через одну и ту же область, эффект накапливается. Оптические процессы, которые в обычных условиях выражены слабо, в таком режиме становятся намного заметнее. Поэтому хороший резонатор часто дает больше пользы, чем просто интересный материал с красивыми параметрами на бумаге.

В экспериментах исследователи зафиксировали особенно сильный рост эффективности генерации второй гармоники. Так называют нелинейный оптический процесс, при котором свет одной частоты преобразуется в свет с другой частотой, обычно вдвое большей. Подобные эффекты используют в преобразовании сигнала и в компактных оптических компонентах на чипе. В новых структурах эффективность процесса выросла в 10 000 раз. Для интегрированной фотоники прирост важен потому, что делает миниатюрные нелинейные элементы гораздо ближе к практическому применению.

Из-за этого меняется и роль ван-дер-ваальсовых материалов в фотонных схемах. Раньше инженеры чаще рассматривали их как пассивный слой с полезными свойствами, который можно добавить к уже существующей платформе. Теперь появляется другой сценарий: материал становится активной основой самого устройства, причем без потери качества и с рекордными для своего класса параметрами.

Практических направлений у подхода несколько. Подобные структуры могут пригодиться для перенастраиваемых фотонных схем, где поведение света нужно менять прямо на чипе. Перспективно выглядит и применение в источниках квантового света, где важны точная геометрия и сильное взаимодействие излучения с материалом. Еще одно направление связано с высокочувствительными датчиками: чем дольше свет удерживается в резонаторе, тем сильнее устройство реагирует на малые изменения среды или самого материала.

В итоге получилась важная для прикладной фотоники работа. Ультратонкие ван-дер-ваальсовы материалы долгое время выглядели перспективной, но неудобной платформой: свойства обещали многое, а технология изготовления ограничивала почти всё. Теперь ситуация меняется. Защитный алюминиевый слой, аккуратная наномасштабная обработка, сверхгладкие микродиски и рекордно долгое удержание света складываются в рабочую схему, которая приближает фотонные чипы на основе таких кристаллов к вычислительным системам и сенсорам на чипе.