Ультракомпактные оптические устройства MIT переписывают правила управления светом

Графика, иллюстрирующая новую платформу MIT для управления светом в наномасштабе. Тонкие структуры представляют собой слоистый квантовый материал — хрома сульфид бромид (CrSBr) с различными оптическими свойствами (представлены разными оттенками синего) в зависимости от приложенного магнитного поля. Оранжевая и розовая структура показывает усиление взаимодействия света и материи. Авторы: Сэмпсон Уилкокс и Майкл Херли, Исследовательская лаборатория электроники MIT

В стремлении уменьшить и улучшить технологии управления светом исследователи из MIT представили новую платформу, которая расширяет границы современной нанофотоники — науки о манипуляции светом в наномасштабе (миллиардные доли метра).

Результатом стал класс ультракомпактных оптических устройств, которые не только меньше и эффективнее существующих технологий, но и обладают динамической настраиваемостью — могут переключаться между различными оптическими режимами. До сих пор такое сочетание в нанофотонике оставалось недостижимым.

Исследование опубликовано в выпуске Nature Photonics от 8 июля.

«Эта работа — важный шаг к будущему, где нанофотонные устройства будут не только компактными и эффективными, но и перепрограммируемыми, способными динамически реагировать на внешние воздействия. Сочетание новых квантовых материалов и проверенных архитектур нанофотоники несомненно продвинет обе области», — заявил Риккардо Комин, доцент физики MIT и руководитель проекта.

Прорывной материал: хрома сульфид бромид

Традиционно нанофотоника полагается на кремний, нитрид кремния или диоксид титана. Однако эти материалы имеют два ключевых ограничения: относительно низкий показатель преломления (что ограничивает степень сжатия света) и невозможность перенастройки оптических свойств после изготовления.

Решение этих проблем предложил хрома сульфид бромид (CrSBr) — слоистый квантовый материал с уникальным сочетанием магнитных свойств и сильной оптической реакции. Его ключевая особенность — экситоны: квазичастицы, возникающие при поглощении света, которые можно управлять магнитным полем.

Фотонные резонансы в фотонных кристаллах из CrSBr. Автор: Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01712-2

Благодаря экситонам CrSBr обладает рекордно высоким показателем преломления, позволяя создавать оптические структуры в 10 раз тоньше традиционных. «Мы можем делать структуры толщиной всего 6 нанометров — это всего 7 слоёв атомов», — поясняет аспирант MIT Ахмет Кемаль Демир.

Но главное — приложение магнитного поля позволяет динамически переключать оптический режим без механических изменений или нагрева. «Такой уровень контроля стал возможен благодаря гигантскому сдвигу показателя преломления под действием магнита — это недостижимо для обычных фотонных материалов», — добавляет Демир.

Перспективы и ограничения

Взаимодействие света с экситонами в CrSBr настолько сильно, что приводит к образованию поляритонов — гибридных частиц, открывающих новые возможности для нелинейной оптики и квантовых технологий. При этом материал совместим с существующими фотонными платформами, такими как интегральные фотонные схемы.

Пока эксперименты проводились при криогенных температурах (до -222°F / -141°C), но даже в таких условиях CrSBr открывает перспективы для квантового моделирования и перестраиваемых поляритонных систем. Команда также изучает аналогичные материалы, способные работать при более высоких температурах.

Подробнее: Ahmet Kemal Demir et al, Tunable nanophotonic devices and cavities based on a two-dimensional magnet, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01712-2