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.