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 технологический уровень. Использование открытия на примере биосенсоров сразу дало рекордную чувствительность.

Научная статья опубликована в Nature Communications.

Если ХХ век был веком полупроводников, то ХХI век — это век двумерных материалов. Одна из самых перспективных областей применения 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, которая отделяет нас от этого светлого будущего, — огромная 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 в оптике 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. Им удалось найти нужную топологию в системе «двумерный материал — подложка».

У некоторых двумерных материалов большой оптический отклик. Например, ряд дихалькогенидов переходных металлов имеют огромный показатель преломления — более четырех. 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 процентов! Мы использовали это колоссальное взаимодействие, чтобы найти топологию, позволяющую получить фазовые изменения», — говорит Георгий Ермолаев, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Двумерный материал находится на подложке, имеющей слоистую структуру. Чаще всего это она содержит оксид кремния. У этого материала совсем другой коэффициент преломления, сильно отличающийся от других. В результате подложка обладает поверхностью нулевого отражения. 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.

Алексей Арсенин, заместитель руководителя Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, рассказывает: «Двумерные материалы могут обеспечивать лишь небольшую оптическую фазовую задержку из-за того, что их толщина очень мала. Чтобы решить эту проблему, мы комбинируем пленки двумерных полупроводников с подложкой SiO₂/Si. В результате получаем быстрые фазовые изменения. Кроме того, мы находим, что такие топологические фазовые сингулярности распространены повсеместно для всего класса атомарно тонких материалов с высоким показателем преломления».

Ученые применили найденный эффект для создания высокочувствительных биосенсоров.

Валентин Волков, руководитель Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, добавляет: «Чаще всего при анализах есть какая-то биологическая жидкость, и нужно определить наличие в ней определенного белка. 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 — это потенциально очень мощный инструмент фазовой инженерии в плоской оптике и может найти применение в огромном количестве приложений. Исследование выполнено при поддержке мегагранта Правительства Российской Федерации.