Физики МГУ вместе с коллегами впервые установили, что при охлаждении двумерных материалов, помещённых на диэлектрические метаповерхности, до 10 К можно в 100 раз усилить нелинейно-оптические эффекты. Результаты исследования опубликованы в журнале Q1 Nanophotonics.

Нелинейно-оптические эффекты играют важную роль в области оптических коммуникаций для модуляции передаваемой информации, увеличения пропускной способности волоконной линии связи и дальности передачи. Они являются основой работы лазерных установок для генерации новых частот света. Однако по своей природе эти эффекты относительно слабы, и для достижения больших величин необходимо брать макроскопические среды. Это существенно ограничивает дальнейшее развитие технологий и препятствует созданию миниатюрных устройств. Обнаруженный способ усиления генерации второй оптической гармоники открывает новые перспективы развития этого направления.

«Нелинейная нанофотоника предоставляет много возможностей для создания миниатюрных наноустройств повышенной эффективности, которые нам ещё предстоит реализовать», — отметил доцент кафедры нанофотоники Александр Мусорин.

В опубликованной работе было предложено взять атомарно-тонкий слой материала с квадратичной нелинейной восприимчивостью, расположить его на метаповерхности и поместить в криогенную камеру для охлаждения до гелиевых температур. Метаповерхность — упорядоченная структура диэлектрических нанодисков, поддерживающих возбуждение высокодобротных оптических резонансов. Охлаждение уменьшает неупорядоченное тепловое движение электронов и повышает нелинейно-оптические свойства двумерного материала — монослоя дихалькогенидна переходного металла MoSe₂. Показано, что, изменяя угол падения излучения, можно добиться совпадения частоты резонанса метаповерхности с резонансом нелинейно-оптического материала. Методом нелинейно-оптической микроспектроскопии проводилось измерение сигнала удвоенной оптической частоты в зависимости от частоты излучения возбуждающего фемтосекундного лазерного импульса. Наблюдалось 20-кратное усиление интенсивности второй оптической гармоники при комнатной температуре. Если исследуемую систему охладить до 10  К, то в сравнении с монослоем без наноструктуры усиление достигает 100 раз.

Нелинейная нанофотоника — стремительно развивающаяся в последнее десятилетие область исследований, как в России, так и в мире. Открытия, сделанные в этой сфере, могут быть применены в оптоэлектронике, разработке сенсоров или для создания более компактных лазеров.

«Проведённый эксперимент можно смело отнести к научным работам мирового уровня. Это подтверждается тем, что результаты исследования опубликованы в одном из наиболее престижных рецензируемых журналов первого квартиля по оптике и фотонике Nanophotonics. Данные, полученные в ходе этой научной работы, могут быть использованы при создании источников излучения на фотонном чипе. Всё это стало возможным благодаря сплочёности коллектива, поддержке Программы развития МГУ и Российского научного фонда», — рассказал заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ Андрей Федянин.

Работа является результатом международной кооперации трёх университетов: МГУ, Института исследований и проектирования материалов (Сингапур) и Технологического университета Сиднея (Австралия). Предсказание эффектов, численное моделирование и экспериментальное подтверждение были сделаны в Московском университете, а изготовление образца — зона ответственности зарубежных коллег.

Источник: МГУ.