p Pesquisadores do Centro de Fotônica e Materiais Bidimensionais do MIPT, junto com seus colegas da Espanha, Grã Bretanha, Suécia, e Cingapura, incluindo o co-criador do primeiro material 2-D do mundo e ganhador do Nobel Konstantin Novoselov, mediram a anisotropia óptica gigante em cristais de dissulfeto de molibdênio em camadas pela primeira vez. Os cientistas sugerem que esses cristais de dichalcogeneto de metal de transição irão substituir o silício na fotônica. Birrefringência com uma diferença gigante nos índices de refração, característica dessas substâncias, tornará possível desenvolver dispositivos ópticos mais rápidos, porém minúsculos. O trabalho está publicado na revista Nature Communications . p Os vikings escandinavos foram os primeiros, entre outros, para observar os efeitos de polarização na óptica. Eles descobriram que os objetos pareciam duplicados quando vistos através da longarina da Islândia (calcita transparente). Esse fenômeno foi mais tarde chamado de birrefringência. O efeito é devido ao arranjo assimétrico dos átomos em alguns materiais. Como resultado, um feixe de luz refrata de forma diferente no material, dependendo da direção em que se propaga, dividindo-se em dois feixes polarizados linearmente (o comum e o extraordinário) e criando uma imagem duplicada.

p Acontece que o fenômeno da birrefringência é muito prático. Por exemplo, os vikings usaram refração dupla de alguns cristais para navegação. Os monitores de cristal líquido atuais usam o efeito de birrefringência em cristais líquidos para criar imagens. O fenômeno também é usado para construir polarizadores, placas de ondas, e outros componentes ópticos. É desejável que os índices de refração de feixes ordinários e extraordinários difiram tanto quanto possível - então o efeito desejado pode ser alcançado quando a luz passa por uma placa mais fina, ajudando assim a reduzir o tamanho do dispositivo, e em alguns aplicativos, aumentar sua velocidade. Pesquisadores demonstraram recentemente a possibilidade de construir guias de onda ultracompactos com materiais anisotrópicos para atingir e até mesmo superar o limite de difração.

p O efeito requer materiais com um valor de birrefringência maior que 1. Até agora, o BaTiS ₃ os cristais em camadas de perovskita e o nitreto de boro hexagonal h-BN mantiveram o recorde de birrefringência (0,8). O desejo de tornar a ótica moderna cada vez mais compacta tem estimulado a busca por materiais naturais com grande anisotropia ótica maior que 1. Os dichalcogenetos de metais de transição são extremamente promissores nesse aspecto. Esses compostos à base de enxofre, selênio, telúrio, e os elementos-3d da Tabela Periódica de Mendeleev têm uma estrutura em camadas. Por exemplo, dissulfeto de molibdênio (MoS ₂ ) consiste em camadas alternadas giradas em relação umas às outras em 180 graus e mantidas juntas por forças fracas de van der Waals (Figura 1).

p "Da tarefa de medir as propriedades ópticas do dissulfeto de molibdênio, chegamos a um problema completamente diferente, ou seja, estudar a anisotropia e encontrar aplicações promissoras da anisotropia de tais cristais em fotônica, "Georgy Ermolaev, Ph.D. aluno do MIPT e primeiro autor do estudo, diz.

p Esta estrutura anisotrópica não poderia deixar de afetar as propriedades ópticas do material. Esse fato já era conhecido na segunda metade do século XX. Contudo, medidas quantitativas da anisotropia eram inexistentes. Isso era devido, entre outras coisas, a consideráveis ​​dificuldades experimentais. Para superá-los, os pesquisadores combinaram métodos de campos elétricos próximos e distantes. Em outras palavras, além de irradiar o material em diferentes ângulos e detectar o sinal, os autores estudaram a propagação dos modos de guia de ondas no material. Esta abordagem permitiu-lhes determinar de forma inequívoca a birrefringência do material, que é 1,5 no infravermelho próximo e até três vezes na faixa do visível. Esses valores são várias vezes maiores do que os recordes anteriores.

p "Usamos uma combinação de técnicas - elipsometria espectral e microscopia óptica de campo próximo e verificamos nossos dados com cálculos numéricos. O trabalho exigiu os esforços de um grande número de cientistas de diferentes equipes científicas em diferentes países e com diferentes competências. Para todos nós, este trabalho foi o início de pesquisas em larga escala sobre nanofotônicos de dicalcogenetos de metais de transição anisotrópicos, "comentou Aleksey Arsenin, um dos principais pesquisadores do MIPT.

p Os dados obtidos foram comparados com cálculos quânticos, que, para a surpresa dos pesquisadores, produziu exatamente o mesmo resultado, confirmando assim a exatidão do modelo de mecânica quântica construído de materiais em camadas e sugerindo que a teoria e as conclusões publicadas no artigo são aplicáveis ​​a toda a classe de dichalcogenetos de metais de transição.

p Os pesquisadores redescobriram completamente para o mundo uma classe de materiais com enorme anisotropia óptica. A descoberta oferece um grau adicional de liberdade no desenvolvimento de dispositivos fotônicos compactos e. Por exemplo, permite atingir o limite de difração em óptica para sistemas de guia de ondas com dimensões características de cerca de 100 nanômetros.

p O trabalho foi liderado pelo professor Valentyn Volkov. Ele se mudou da University of Southern Denmark para o MIPT em setembro de 2019 para chefiar o Center for Photonics and Two-Dimensional Materials. "Considerando que antes estávamos limitados a mudanças na geometria e índice de refração eficaz para criar novos circuitos ópticos e dispositivos, a anisotropia gigante fornece um grau adicional de liberdade para manipular a luz, "diz Volkov." Inesperadamente, descobrimos que materiais naturalmente anisotrópicos nos permitem construir guias de onda compactos literalmente na borda do limite de difração. Isso nos dá a oportunidade de competir com a fotônica de silício. Agora podemos falar com segurança não apenas sobre a fotônica pós-silício, mas também implementá-la. "