Свет может двигать атомы в двумерных полупроводниках

Исследователи из Университета Райса обнаружили, что определенные ультратонкие полупроводники могут физически смещать свою атомную решетку под воздействием света. Это открытие предлагает контролируемый способ настройки свойств этих материалов.

Явление наблюдается в подтипе переходных металлдихалькогенидов (TMD), называемых материалами Януса. Их светочувствительность может быть использована в технологиях, работающих на оптических сигналах вместо электрических токов, включая более быстрые и холодные компьютерные чипы, высокочувствительные сенсоры и гибкие оптоэлектронные системы.

«В нелинейной оптике свет можно преобразовывать для создания новых цветов, более быстрых импульсов или оптических переключателей, которые включают и выключают сигналы», — сказала Куньян Чжан, ведущий автор исследования. «Двумерные материалы, толщиной всего в несколько атомов, позволяют создавать эти оптические инструменты в очень малых масштабах».

Материалы Януса отличаются тем, что их верхний и нижний атомные слои состоят из разных химических элементов, что придает им асимметричную структуру. Этот дисбаланс создает встроенную электрическую полярность и повышает их чувствительность к свету.

Исследователи использовали лазерные лучи различного цвета на двухслойном материале Януса. Они изучали, как материал изменяет свет через генерацию второй гармоники (SHG) — процесс, при котором материал излучает свет с удвоенной частотой падающего луча. Когда лазер совпадал с естественными резонансами материала, обычная SHG-картина искажалась, показывая, что атомы смещаются.

«Мы обнаружили, что свет создает крошечные направленные силы внутри материала, которые проявляются как изменения в его SHG-паттерне», — объяснила Чжан. «Обычно SHG-сигнал образует шестиконечную "цветочную" форму, отражающую симметрию кристалла. Но когда свет давит на атомы, эта симметрия нарушается — лепестки паттерна неравномерно сжимаются».

Исследователи связали искажение SHG с оптострикцией — процессом, при котором электромагнитное поле света оказывает механическое воздействие на атомы. В материалах Януса сильная связь между слоями усиливает этот эффект, позволяя даже чрезвычайно малым силам создавать измеримую деформацию.

Высокая чувствительность предполагает, что материалы Януса могут стать ценными компонентами в различных оптических технологиях. Устройства, управляющие светом с помощью этого механизма, могут привести к созданию более быстрых и энергоэффективных фотонных чипов, поскольку световые схемы производят меньше тепла, чем традиционная электроника.

«Такой активный контроль может помочь в разработке фотонных чипов следующего поколения, сверхчувствительных детекторов или квантовых источников света — технологий, которые используют свет для передачи и обработки информации вместо электричества», — сказал Шэнси Хуан, соавтор исследования.

Исследование демонстрирует, как внутренняя асимметрия материалов Януса создает новые способы влияния на поток света, показывая, что крошечные структурные различия могут открыть значительные технологические возможности.