Физики из МФТИ научили двумерные материалы играть со светом

Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами из Великобритании и Сингапура открыли топологические фазовые особенности двумерных материалов. Эффект может вывести оптическую инженерию на новый уровень. Использование открытия на примере биосенсоров сразу дало рекордную чувствительность. Научная статья опубликована в Nature Communications, сообщили в институте.

Если ХХ век был веком полупроводников, то ХХI век — это век двумерных материалов. Одна из самых перспективных областей применения этих материалов толщиной в один атом — оптика. Если вы носите очки, то знаете, что ваши линзы имеют строго определенные диоптрии, а острота вашего зрения в течение дня меняется. С помощью двумерных материалов можно сделать линзы, свойства которых можно будет менять в зависимости от изменения особенностей вашего зрения.

Одна из ключевых проблем — разница в 1000 раз в размерах между длинной волны света и толщиной двумерных материалов. Поэтому на данный момент эффективность двумерных материалов в оптике очень низкая.

Основное внимание в исследованиях ученые уделяют фазе волны — тому, сколько волна идет внутри материала. Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ изучают возможности «накопления фазы» в двумерном материале, то есть то, как заставить свет находиться внутри совершенно плоского материала достаточно долго для изменения работы системы.

У некоторых двумерных материалов большой оптический отклик. Например, ряд дихалькогенидов переходных металлов имеют огромный показатель преломления — более 4. Для сравнения, у воды этот показатель — всего 1,3.

«Мы использовали дихалькогениды переходных металлов и в частности диселенид палладия. Несмотря на то, что материал всего лишь атомарной толщины, его взаимодействие со светом колоссально. Эта пленка поглощала свет вплоть до 20%!», — говорит Георгий Ермолаев, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

В экспериментах двумерный материал находится на подложке, имеющей слоистую структуру. Чаще всего это подложка с оксидом кремния. У этого материала совсем другой коэффициент преломления, сильно отличающийся от изучаемых материалов. Поверхность подложки обладает нулевым отражением. За счет разницы между коэффициентами преломления двумерного материала и подложки образуется резкое изменение фазы световой волны. Ученые рассмотрели разные двумерные пленки на разных подложках. Эффект оказался универсальным. В зависимости от материала длина волны, на которой происходил скачок фазы, была разной.

Ученые применили найденный эффект для создания высокочувствительных биосенсоров.

Валентин Волков, руководитель Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ: «Чаще всего при анализах нужно определить наличие конкретного белка в какой-то биологической жидкости. Обычно концентрация очень маленькая. Наличие молекул белка меняет коэффициент преломления этой жидкости, но очень слабо. Мы положили двумерную пленку диселенида палладия на биосенсорный чип и получили рекордную чувствительность по сравнению со всеми остальными методиками измерения».

Найденный эффект является потенциально очень мощным инструментом.