Иллюстрация художника, изображающая канальную канализацию плазмонов в MoOCl₂, где свет распространяется по узкому каналу. На изображении показан возбуждающий лазер, освещающий золотую наноантенну, и зонд SNOM, используемый для картирования возникающего оптического распределения в ближней зоне. Наноантенна в центре демонстрирует наблюдаемую в эксперименте картину канальной канализации. Две соседние наноантенны иллюстрируют эллиптическое (на переднем плане) и гиперболическое (на заднем плане) распространение оптических волн. Фото: Фарид Агаширинов, 4-й физический институт Штутгартского университета

Это открытие может способствовать развитию интегральной фотоники, внутричиповой оптической передачи сигналов и будущих квантовых технологий.

Наноразмерная золотая антенна, размещенная на кристалле, может передавать инфракрасный свет по одному узкому каналу, даже если в материале нет физического волновода.

Исследователи из 4-го физического института Штутгартского университета и Итальянского технологического института (IIT) в Милане продемонстрировали этот механизм на природном гиперболическом ван-дер-ваальсовом материале. Этот результат может способствовать развитию интегральной фотоники, оптической связи на чипах и будущих квантовых технологий.

Свет, исходящий из небольшого источника, обычно распространяется в виде круговых или сферических волновых фронтов, подобно ряби, расходящейся после удара камня о воду. Такое равномерное распространение является базовым свойством волн, но оно становится проблемой, когда фотонным устройствам необходимо эффективно перемещать свет по определенному маршруту.

Современные оптические системы решают эту проблему с помощью волноводов. Например, стеклянные волокна удерживают лазерный свет, позволяя ему распространяться на большие расстояния с минимальными потерями. В фотонных интегральных схемах используются волноводы гораздо меньшего размера, созданные с помощью литографических методов производства, таких как нанесение резиста, литография и травление. Производство этих наноструктур технически сложно и существенно увеличивает производственные затраты.

Профессор Харальд Гиссен из 4-го физического института Штутгартского университета и доктор Антонио Амброзио из Итальянского технологического института (Istituto Italiano di Tecnologia, IIT) возглавили совместную работу, в ходе которой был продемонстрирован еще один способ направления света без создания искусственного волновода.

Свойства кристалла создают естественный канал

Исследователи работали с двумерным материалом — оксидихлоридом молибдена (MoOCl₂). Они разместили на его поверхности наноразмерную золотую антенну и осветили ее инфракрасным лазером. Это позволило генерировать строго локализованные оптические волны, которые распространялись только в одном направлении.

Вместо того чтобы распространяться по материалу, свет оставался в узком канале. Его поведение напоминало свет, проходящий по невидимому волноводу, который естественным образом содержится внутри кристалла.

Фарид Агаширинов, аспирант 4-го физического института, и Андреа Манчини, постдокторант Индийского технологического института, провели эксперименты с использованием сканирующей оптической микроскопии ближнего поля (СОМБП) рассеяния. В отличие от традиционных подходов, этот метод не требует наноструктурирования материала, поскольку направление распространения света определяется самим кристаллом.

MoOCl₂ — двухосный материал, то есть его оптические свойства резко различаются в зависимости от направления в кристалле. Вдоль одной оси он ведет себя как металл и поддерживает поверхностные плазмоны — коллективные электронные колебания, способные переносить электромагнитную энергию.

Вдоль перпендикулярной оси материал ведет себя как диэлектрик и сильно ограничивает движение плазмонов. Эта резкая разница в поведении в зависимости от направления, известная как анизотропия, ограничивает распространение плазмонных волн узким маршрутом.

Поскольку этот эффект напоминает движение воды по каналу, исследователи назвали его плазмонной канализацией.

Длина волны меняет характер распространения света

Форма и направление волн существенно менялись в зависимости от длины волны в инфракрасном диапазоне. При длине волны около 4 мкм исследователи наблюдали строго направленное канализированное распространение.

Когда они увеличили длину волны до 5 мкм, волновой фронт вернулся к привычной кольцеобразной форме, напоминающей рябь, равномерно расходящуюся по воде. При длине волны 3 мкм он приобрел открытую гиперболическую форму.

Канальное состояние можно представить как эллиптический волновой фронт, растянутый настолько, что фокусы эллипса фактически уходят в бесконечность. Изменив только длину волны возбуждения, исследователи перевели распространяющиеся волны в MoOCl₂ из открытой формы в закрытую, пройдя между ними критическое состояние канальной волны.

В экспериментах использовался перестраиваемый инфракрасный лазер, разработанный компанией Stuttgart Instruments GmbH, дочерним предприятием Штутгартского университета. Исследователи получали оптические изображения ближнего поля с помощью микроскопа SNOM производства компании attocube systems AG, еще одного технологического стартапа, возникшего на основе академических исследований.

Для фотонных чипов может потребоваться меньше волноводов

Исследователи предполагают, что канальная локализация плазмонов в гиперболических материалах может стать новой основой для интегрированной фотоники. Поскольку материал направляет свет без использования литографически изготовленных волноводов, это может упростить производство фотонных чипов.

Такой подход также может расширить возможности проектирования оптических межсоединений, наноразмерных фотонных схем и интегрированных квантовых технологий.