Учёные открыли материал, который «изгибает» синий и ультрафиолетовый свет для будущих чипов

Исследователи из Делфтского технического университета и Университета Радбауд (Нидерланды) обнаружили, что двумерный сегнетоэлектрический материал CuInP₂S₆ (CIPS) можно использовать для управления направлением и свойствами синего и ультрафиолетового света так, как не может ни один другой материал.

Художественное представление двумерного кристалла внутри чипа, где свет (синий) взаимодействует с электрическим полем кристалла (зелёный). Автор: TU Delft / Nijmegen University

Поскольку ультрафиолетовый свет является основой современного производства чипов, высокоточной микроскопии и технологий оптической связи следующего поколения, улучшение контроля над таким светом непосредственно на чипе имеет решающее значение. Как описывают учёные в журнале Advanced Optical Materials, CIPS можно интегрировать в чипы, что открывает новые захватывающие возможности для интегральной фотоники.

Особый вид сегнетоэлектрика

CIPS — это атомарно-слоистый сегнетоэлектрический материал. Это означает, что он обладает встроенным внутренним электрическим диполем из-за смещения ионов меди, которые также могут перемещаться внутри структуры. CIPS выделяется тем, что это движение ионов меди сильно зависит от толщины двумерного кристалла.

Команда из Делфта и Неймегена обнаружила, что такое зависящее от толщины сегнетоэлектрическое поведение можно использовать для достижения зависящего от толщины показателя преломления — меры того, насколько кристалл замедляет и изгибает свет.

Ведущий автор статьи, Хуссам Эль Мрабе Хадж, говорит: «При переходе от объёмного материала к слою толщиной всего в десятки нанометров показатель преломления CIPS изменился почти на 25% неожиданным, «аномальным» образом».

Самое поразительное, что команда также обнаружила, что CIPS проявляет гигантское двулучепреломление в сине-ультрафиолетовом диапазоне: свет, распространяющийся через кристалл перпендикулярно плоскости, испытывает совершенно иной показатель преломления, чем свет, распространяющийся в плоскости. На длинах волн около 340 нанометров (ближний УФ) эта разница достигает примерно 1,24 — это самый высокий собственный показатель двулучепреломления, когда-либо зарегистрированный в этой части спектра.

Хуссам отмечает: «Это означает, что CIPS может действовать как чрезвычайно мощный элемент управления поляризацией и фазой для коротковолнового света, без необходимости в сложном наноструктурировании. Это подтверждает, что CIPS — потенциальный «изменитель правил игры» для многих фотонных приложений».

Выбор правильной толщины

Хотя полная картина ещё предстоит выяснить, команда предлагает новый механизм, работающий внутри кристалла CIPS.

«Свет несёт в себе колеблющиеся электрические и магнитные поля; в CIPS эти поля взаимодействуют не только с электронами, но и с внутренним электрическим полем, создаваемым смещёнными ионами меди. Что делает CIPS таким особенным, так это то, что конфигурация ионов меди, а значит, и взаимодействие материала со светом, меняется с толщиной кристалла. Это позволяет настраивать оптический отклик, просто выбирая правильную толщину CIPS», — объясняет Хуссам.

Новые инструменты для «лепки» света

Мазхар Н. Али, руководитель проекта, заявляет: «CIPS — не единственный материал с такими свойствами. Наше открытие механизма, в котором сегнетоэлектрическая поляризация и подвижные ионы работают вместе, формируя взаимодействие света с веществом, может распространяться и на другие сегнетоэлектрические материалы». Таким образом, работа предлагает более широкий принцип проектирования, при котором материалы создаются так, чтобы содержать подвижные ионы, модулирующие внутренние поля, чтобы получить новые инструменты для «лепки» света в широком диапазоне длин волн.

Хуссам заключает: «При дальнейшей работе структуры на основе CIPS могут лечь в основу перестраиваемых УФ/синих компонентов для интегральной электрооптики — управляемых не только электронами, но и движением ионов внутри кристалла толщиной в миллиардные доли метра».

Больше информации: Houssam El Mrabet Haje et al, Anomalous Refractive Index Modulation and Giant Birefringence in 2D Ferrielectric CuInP₂S₆, Advanced Optical Materials (2025). DOI: 10.1002/adom.202502291

Источник: Delft University of Technology