Físicos russos com colegas estrangeiros descobriram um material promissor para fotônica futura

A fotônica de silício existe há muito tempo e é amplamente utilizada em linhas de comunicação óptica. Mas como ir além – para superar o limite de difração e criar elementos ópticos ainda menores? Descobriu-se que os materiais naturais conhecidos pelos vikings escandinavos, que refratam a luz devido à sua estrutura em camadas e anisotropia gigante, podem ajudar nisso. Essas propriedades são muito úteis para eletrônicos movidos a fótons.

Spar islandês. Fonte da imagem: Catálogo de minerais

Funcionários do Centro de Fotônica e Materiais Bidimensionais do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, juntamente com colegas estrangeiros da Espanha, Grã-Bretanha, Suécia e Cingapura, incluindo o descobridor de materiais bidimensionais e ganhador do Prêmio Nobel Konstantin Novosyolov, puderam para abrir o mundo de materiais anisotrópicos bem conhecidos para fotônica pós-silício. Eles foram os primeiros a medir a anisotropia óptica gigante em cristais em camadas de dissulfeto de molibdênio e confirmaram os experimentos com cálculos teóricos.

Até recentemente, os cristais de perovskita em camadas BaTiS3 e o nitreto de boro hexagonal h-BN tinham um valor recorde de birrefringência (0,8). Porém, para criar uma ótica mais compacta, foram necessários materiais com anisotropia ótica superior a 1, o que possibilitaria superar o limite de difração. Os dichalcogenetos de metais de transição e, em particular, o dissulfeto de molibdênio parecem ser muito promissores a esse respeito.

Os cientistas se depararam com a tarefa de medir quantitativamente a anisotropia óptica do dissulfeto de molibdênio e confirmá-la com cálculos teóricos. No decorrer de uma série de experimentos complexos, foi possível determinar de forma inequívoca a birrefringência do material, que na faixa do infravermelho próximo era 1,5, e na faixa do visível chega a 3. Esses valores são várias vezes superiores aos valores. De detentores de recordes anteriores e nos permitem dizer que a era da fotônica pós-silício pode ser aberta com segurança.

Diagrama da estrutura do dissulfeto de molibdênio. Fonte da imagem: Nature Communications

Como disse o professor Valentin Volkov, que em setembro de 2019 se mudou da University of Southern Denmark para o MIPT, onde chefiava o Centro de Fotônica e Materiais Bidimensionais: “Descobrimos inesperadamente para nós que os materiais anisotrópicos naturais nos permitem criar materiais compactos guias de ondas literalmente à beira do limite de difração. Isso nos dá a oportunidade de competir com a fotônica de silício, e agora podemos com segurança não apenas falar sobre fotônica pós-silício, mas também implementá-la na prática. “

Acrescentamos, um artigo na Nature Communications sobre o estudo pode ser visto neste link, e mais alguns detalhes em russo podem ser lidos no site do MIPT.