Ученые NIST создали оптический полупроводник, работающий со светом видимого диапазона

На страницах нашего сайта мы достаточно много рассказывали о метаматериалах, материалах, имеющих сложную структуру и структуру их поверхности. Такое строение снабжает метаматериалы целым набором необычных свойств, позволяющих их преломлять свет и управлять распространением света по законам, отличающимся от законов традиционной оптики. И недавно, исследователи из Национального Института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) дополнили список функций метаматериалов еще одним пунктом. Используя слои серебра, стекла и металлического структурированного покрытия, ученые создали оптический полупроводник, материал, пропускающий свет видимого диапазона в одном направлении и блокирующий свет, движущийся в обратном направлении.
В последние годы ученые разработали и создали достаточно большое количество материалов, выполняющих функции полупроводника для микроволнового и инфракрасного излучения. Структуры из таких материалов являются элементарными блоками фотонных чипов, в которых происходит расщепление и комбинация лучей света, несущих закодированную информацию. Но, до последнего времени все попытки создания оптического полупроводника, эффективно работающего со светом видимого диапазона, заканчивались неудачей. Точнее не совсем неудачей, просто созданные учеными оптические полупроводниковые устройства не могли быть миниатюризированы до уровня, позволяющего их использование на кристаллах специализированных чипов.
Для преодоления вышеупомянутой проблемы исследователи NIST объединили два различных типа наноструктур, многослойный блок, состоящий из чередующихся слоев серебра и стекла, и металлическое покрытие со специально структурированной поверхностью.
Многослойная стеклянно-серебрянная структура представляет собой яркий образчик материала с «гиперболическими» оптическими свойствами, который влияет на свет по-разному в зависимости от угла падения света. Материал состоит из слоев стекла и серебра, толщина которых колеблется в пределах нескольких десятков нанометров, что соответствует длинам волн света от 400 до 700 нанометров. Правда, в объеме такого материала свет может распространяться только под некоторыми фиксированными углами, количество который крайне ограничено.
Компьютерное моделирование показало, что для получения требуемых оптических характеристик ученым потребуется 20 чередующихся слоев. При помощи установки осаждения тонких пленок NanoFab был изготовлен требующийся многослойный материал, на верхнюю поверхность которого затем были осаждены решетки из хрома, имеющие узкий интервал, кратный длинам волны света. Эти решетки позволили разделить свет на спектральные составляющие от красного до зеленого, которые прошли сквозь слои нижнего материала под различными углами. На нижней поверхности многослойного материала была также сделана подобная хромовая решетка, выполняющая функцию обратного преобразования, которая из света разных цветов скомбинировала свет, цвет которого полностью совпадает с цветом исходного света.
Интервал второй решетки, комбинирующей свет, отличается от интервала первой решетки, расщепляющей исходный свет. Это приводит к тому, что свет, падающий на структуру оптического полупроводника в обратном направлении, расщепляется на спектральные составляющие, распространяющиеся под «неправильными» углами, которые быстро затухают, проходя через чередующиеся слои стекла и серебра. Опытные образцы оптического полупроводника продемонстрировали, что сила света, проходящего в прямом направлении, в 30 раз больше силы света, которому удается пройти через полупроводник в обратном направлении, и этот показатель является самым большим показателем для любого оптического полупроводника, созданного на нынешний момент времени другими группами ученых.
В будущем элементы, изготовленные из оптического полупроводникового материала, могут быть легко интегрированы в структуру фотонных чипов, внутри которых происходит передача и обработка информации при помощи только оптических методов. Кроме этого, оптические полупроводники могут быть использованы в качестве элементов датчиков различных физических величин, некоторые из которых в нынешнее время можно измерять с огромными затруднениями.