Новая комбинация материалов может эффективно проводить электричество и свет по крошечным проводам. Это открытие — шаг на пути к созданию компьютерных микросхем, способных передавать цифровую информацию со скоростью света.

В журнале «Оптика» материаловеды из Университета Рочестера и Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе описывают схему базовой модели цепи, состоящей из серебряной нанопроволоки и однослойной чешуйчатой пластины дисульфида молибдена (MoS2).

Используя лазер для возбуждения электромагнитных волн, называемых плазмонами, на поверхности проволоки, исследователи обнаружили, что пластина MoS2 на дальнем конце провода производит эмиссию яркого света. Двигаясь в обратную сторону, электроны были собраны проводом и преобразованы обратно в плазмоны, которые испускают свет той же длины волны.

«Мы обнаружили, что происходит наноразмерное взаимодействие света и вещества между плазмонами и атомарно тонким материалом, который можно использовать для нанофотонных интегральных схем», — сказал Ник Вэмивэкас, доцент кафедры квантовой оптики и квантовой физики в Университете Рочестера и старший автор статьи.

Обычно около трети оставшейся энергии теряется для каждых нескольких микрон (миллионная часть метра) во время путешествия плазмонов вдоль провода, как объяснил Кеннет Гудфеллоу, аспирант Института оптики Рочестера и ведущий автор статьи.

«Было бы удивительно, если бы достаточно энергии оставалось после движения туда и обратно», — сказал Гудфеллоу.

Фотонные устройства могут быть намного быстрее чем электронные, но они массивнее, потому что устройства, которые фокусируют свет не могут быть миниатюрными как электронные схемы. Новые результаты открывают перспективу для управления передачей света и поддержания интенсивности сигнала. С момента открытия графена — один слой углерода, который может быть извлечен из графита с помощью клейкой ленты, ученые начали активно исследовать мир двумерных материалов. Эти материалы имеют уникальные свойства, не замечаемые в их натуральном виде.

Как и графен дисульфид молибдена состоит из слоев, которые слабо связаны друг с другом, так что они могут быть легко отделены. В объемном MoS2 электроны и фотоны взаимодействуют как в традиционных полупроводниках, таких как кремний и арсенид галлия. При сведении MoS2 к более тонким слоям, передача энергии между электронами и фотонами становится более эффективна.

Ключ к желательным фотонным свойствам дисульфида молибдена находится в структуре энергии его запрещенной зоны. По мере уменьшения количества слоев материала он переходит от косвенной к прямой запрещенной зоне, что позволяет электронам легко перемещаться между энергетическими уровнями, выпуская фотоны. Графен является неэффективным в световом излучении, поскольку не имеет запрещенной зоны.

Сочетание электроники и фотоники в интегральных схемах может существенно улучшить производительность и эффективность мобильных технологий. Исследователи говорят, что следующим шагом будет демонстрация примитивных схем со светодиодами.

Источник