Портативные глюкометры для больных диабетом, умная одежда и миниатюрные производственные датчики — это не мечты, а реальное будущее. Уже сейчас некоторые микрочипы поражают своими размерами: самый маленький из них имеет нанометровые масштабы. Но и это не предел — особенно если использовать активно изучаемые сейчас двумерные материалы на основе дихалькогенидов переходных металлов. Однако применять их  при низких температурах до сих пор непросто. В материале ITMO.NEWS рассказываем, какое решение этой проблемы предложили ученые Нового физтеха ИТМО.

Схематическое изображение двумерного материала в резонаторе из двух зеркал (а) и фото экспериментального образца под оптическим микроскопом (b). Изображение из статьи / www.nature.com

Чем интересны 2D-материалы

Закон Гордона Мура (Moore’s law) — это эмпирическое правило, сформулированное на основе исторического развития электроники. Согласно ему, каждые два года количество транзисторов на интегральной схеме удваивается. С небольшими отклонениями закон Мура соблюдается уже больше полувека. Однако некоторые ученые говорят, что когда-то количество транзисторов на единицу интегральной схемы просто не сможет увеличиться — по прогнозам, к 2060 году микросхема должна стать размером в один атом, что невозможно с точки зрения квантовой механики.

Тем не менее последние открытия в науке подтверждают, что низкоразмерные материалы толщиной в один атом — это предел, которого можно достичь. Но графеновые и кремниевые элементы, рассматриваемые в разрезе электроники, здесь не подойдут, а вот двумерные материалы в фотонике и оптоэлектронике — да. Например, на основе дихалькогенидов переходных металлов уже были разработаны и сконструированы лазеры, оптические переключатели, нелинейные оптические элементы толщиной в один атом.

Кроме того дихалькогениды переходных металлов в виде двумерных материалов хорошо гнутся, поэтому могут быть использованы в гибкой электронике: например, встроены в одежду в качестве пользовательских электронных устройств или даже под кожу в виде медицинских датчиков.

«В первый раз монослой дихалькогенида переходного металла синтезировали в 2013–2014 годах. В объемном виде этот материал представляет собой черную субстанцию, напоминающую графит, и не интересен с точки зрения оптики. Но если от него “оторвать” слой толщиной в атом, то такая пластинка станет оптически активным полупроводником. После открытия подобных свойств дихалькогенидов переходных металлов их стали активно исследовать. Некоторые предсказания ученых гласят, что эти материалы по своим свойствам будут полезны в практических приложениях оптоэлектроники», — рассказывает главный научный сотрудник физического факультета Иван Иорш.

В чем проблема использования 2D-материалов

Двумерные материалы — это материалы толщиной в один атом. Они схожи с графеном, но имеют другие состав и геометрию и обладают свойствами полупроводников. К тому же они хорошо взаимодействуют со светом, то есть могут быть использованы при создании электронных приборов ― например лазеров. Однако препятствует этому тот факт, что в 2D-материалах из-за их ультратонкости наблюдаются сильные кулоновские взаимодействия — заряды внутри материала притягиваются с очень большой силой. Из-за этого оптический отклик таких материалов определяется связанными состояниями электронов и дырок — так называемыми экситонами. Они чем-то напоминают атом водорода, только вместо ядра у них положительно заряженная дырка, а вокруг нее крутится электрон.

По одной из квалификаций, экситоны можно разделить на «темные» и «светлые». Первые, в отличие от вторых, со светом практически не взаимодействуют, поэтому в изготовлении оптических устройств они бесполезны.

«У разных экситонных состояний разная энергия: у каких-то выше, у каких-то ниже. Если мы резонансно накачиваем систему электронно-дырочной пары, они взаимодействуют с кристаллической решеткой материала и большая их часть стремится опуститься в самое низкое по энергии состояние. Оказалось, что если самое низкое состояние энергии у “темного” экситона, он будет плохо взаимодействовать со светом, несмотря на то, что он прямозонный полупроводник, особенно при низких температурах. Если температура высокая, то экситон из “темного” состояния может перепрыгнуть на более высокий энергетический уровень и начать излучать, но если мы охладим материал, он снова станет “темным”. В некоторых практических применениях это хорошо, но если мы делаем лазеры или диоды, то не очень», — объясняет Иван Иорш.

Сейчас «просветление» этих самых «темных» экситонов при низких температурах — одна из важных задач фотоники и оптоэлектроники. Одно из решений — воздействие на материал сильным магнитным полем. Но это не выгодно и не практично, ведь для создания миниатюрного лазера понадобится сверхпроводящий магнит, размером с комнату и требующий большого количества энергии.

Как эту проблему решили ученые ИТМО

Несколько лет ученые Нового физтеха ИТМО изучают взаимодействие света и вещества. Три года назад исследователи предположили: если взять систему, в которой нижний уровень энергии соответствует «темному» экситону, а высокий — «светлому», и поместить ее в резонатор, состоящий из двух расположенных параллельно друг другу зеркал, то «светлый» экситон свяжется с фотоном и расщепится на два поляритона с разным запасом энергии. Один из поляритонов окажется на более низком энергетическом уровне, чем «темный» экситон, — тогда последний станет «светлым». При таком сценарии помещенный в резонатор двумерный материал начнет очень хорошо светиться при низкой температуре.

В этом году ученые Нового физтеха совместно с коллегами из Германии подтвердили теорию на примере селенида вольфрама (WSe₂). С помощью экспериментов исследователи построили зависимость фотолюминесценции от температуры для двумерного материала, помещенного в резонатор. Она оказалась противоположной такой же зависимости для классических 2D-материалов на основе дихалькогенидов переходных металлов: в резонаторе с увеличением температуры яркость фотолюминесценции понижалась.

Какие есть еще перспективные области исследования 2D-материалов

Сегодня активно развиваются квантовые коммуникации: их исследуют в ИТМО, в крупных коммерческих компаниях, их же применяют на МКС. Однако для квантовых коммуникаций необходим эффективный источник одиночных фотонов. Авторы статьи уверены, что двумерные материалы на основе дихалькогенидов переходных металлов могут стать кандидатами на эту роль, ведь уже сейчас существуют методики их контролируемого производства.

Вторая область применения нового семейства 2D-материалов основана на магнитных свойствах некоторых его представителей. Ученые хотят выяснить, можно ли ими управлять оптически. Если такие механизмы будут найдены, то подобные материалы окажутся полезны в развитии магнитной памяти быстрого случайного доступа.

Статья: Hangyong Shan, Ivan Iorsh, Bo Han, Christoph Rupprecht, et al., Brightening of a dark monolayer semiconductor via strong light-matter coupling in a cavity (Nature Communications, 2022).

Евгений Шилинг

Журналист