Ученые из Политехнического института Ренсселаера создали устройство шириной не более человеческого волоса, которое поможет физикам изучить фундаментальную природу материи и света. Результаты, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, могут помочь в разработке более эффективных лазеров, которые используются в самых разных областях – от медицины до производства.
Устройство изготовлено из особого вида материала, называемого фотонным топологическим изолятором, который может направлять фотоны – волнообразные частицы, из которых состоит свет, – к специально разработанным в материале интерфейсам, не позволяя частицам рассеиваться в материале.
Благодаря этому свойству топологические изоляторы могут заставить множество фотонов когерентно действовать как один фотон. Устройства также могут использоваться в качестве топологических «квантовых симуляторов», миниатюрных лабораторий, в которых исследователи могут изучать квантовые явления – физические законы, управляющие материей в очень малых масштабах.
«Созданный нами фотонный топологический изолятор уникален. Он работает при комнатной температуре. Это большое достижение. Раньше исследовать этот режим можно было только с помощью большого и дорогостоящего оборудования, которое переохлаждало вещество в вакууме. Многие лаборатории не имеют доступа к такому оборудованию, поэтому наше устройство может позволить большему числу людей проводить исследования в области фундаментальной физики в лаборатории», – говорит Вэй Бао, доцент кафедры материаловедения и инженерии RPI и старший автор исследования.
«Это также многообещающий шаг вперед в разработке лазеров, требующих меньше энергии для работы, поскольку порог нашего устройства при комнатной температуре – количество энергии, необходимое для его работы – в 7 раз ниже, чем у ранее разработанных низкотемпературных устройств», – добавил Бао.
Исследователи из RPI создали свое новое устройство по той же технологии, которая используется в полупроводниковой промышленности для производства микрочипов и предполагает наслоение различных видов материалов атом за атомом, молекула за молекулой, чтобы создать желаемую структуру с определенными свойствами.
Для создания устройства ученые вырастили ультратонкие пластины галогенидного перовскита – кристалла, состоящего из цезия, свинца и хлора, – и нанесли на них полимер с рисунком. Они поместили кристаллические пластины и полимер между листами различных оксидных материалов, сформировав в итоге объект толщиной около 2 микрон и длиной и шириной 100 микрон (средний человеческий волос имеет ширину 100 микрон).
Когда исследователи посветили на устройство лазером, на границах раздела материалов появился светящийся треугольный узор. Он продиктован конструкцией устройства и является результатом топологической характеристики лазеров.
«Возможность изучать квантовые явления при комнатной температуре – это захватывающая перспектива. Инновационная работа профессора Бао показывает, как материаловедение может помочь ответить на некоторые из самых больших вопросов науки», – сказал Шекхар Гарде, декан Инженерной школы RPI.
[Фото: Unsplash.com/Maximalfocus]
