Исследователи из Университета Райса сделали прорывное открытие: ультратонкие полупроводники, известные как дихалькогениды переходных металлов (TMDs), могут физически изменять свою атомную структуру под воздействием света. Это явление, впервые наблюдавшееся в так называемых материалах Януса, открывает новые возможности для контролируемой настройки свойств этих двумерных материалов и потенциально ведёт к созданию более быстрых, холодных и чувствительных световых технологий.
Материалы Януса получили своё название в честь древнеримского бога переходов благодаря своей уникальной асимметричной структуре. В отличие от обычных TMDs, эти вещества имеют разные химические элементы на верхнем и нижнем атомных слоях. Это структурное различие создаёт встроенную электрическую полярность и значительно повышает их чувствительность к свету и внешним воздействиям. Такая чувствительность может стать основой для будущих технологий, которые будут использовать оптические сигналы вместо электрических токов — например, для мощных компьютерных чипов, сверхчувствительных датчиков и гибких оптоэлектронных систем.
«В нелинейной оптике свет можно преобразовывать для создания новых цветов, более быстрых импульсов или оптических переключателей, которые включают и выключают сигналы», – объясняет Куньян Чжан, выпускница докторантуры Университета Райса и ведущий автор исследования. – «Двумерные материалы, толщина которых составляет всего несколько атомов, позволяют создавать такие оптические инструменты в очень малом масштабе».
Чтобы исследовать это поведение, команда использовала лазерные лучи различных цветов на двухслойном материале Януса, состоящем из молибден-сера-селенида, уложенного на дисульфид молибдена. Учёные изучали, как материал изменяет свет посредством генерации второй гармоники (second harmonic generation, SHG) – процесса, при котором материал излучает свет на удвоенной частоте падающего луча. Когда входящий лазерный луч совпадал с естественным резонансом материала, привычный шестилепестковый узор SHG искажался, что указывало на смещение атомов.
«Мы обнаружили, что воздействие света на Janus молибден-сера-селенид и дисульфид молибдена создаёт крошечные, направленные силы внутри материала, которые проявляются как изменения в его SHG-узоре», – продолжает Чжан. – «Обычно сигнал SHG образует шестиконечный «цветок», отражающий симметрию кристалла. Но когда свет оказывает давление на атомы, эта симметрия нарушается – «лепестки» узора сжимаются неравномерно». Это явление, когда электромагнитное поле света механически воздействует на атомы, называется оптострикцией. В материалах Януса это взаимодействие многократно усиливается из-за сильной связи между атомными слоями, позволяя даже крайне малым силам вызывать измеримую деформацию.
«Материалы Януса идеально подходят для этого, поскольку их неравномерный состав создаёт усиленную связь между слоями, что делает их более чувствительными к крошечным силам света. Эти силы настолько малы, что их трудно измерить напрямую, но мы можем обнаружить их через изменения в узоре сигнала SHG», – говорит Чжан. Такая высокая чувствительность предполагает, что материалы Януса могут стать ценными компонентами в широком спектре оптических технологий.
Устройства, управляющие светом с помощью этого механизма, могут привести к созданию более быстрых и энергоэффективных фотонных чипов, поскольку световые цепи производят меньше тепла, чем традиционная электроника. Подобные свойства можно использовать для создания тонко настраиваемых датчиков, способных улавливать сверхмалые вибрации или изменения давления, или для разработки регулируемых источников света для передовых дисплеев и систем визуализации. «Подобный активный контроль может помочь в разработке фотонных чипов нового поколения, сверхчувствительных детекторов или квантовых источников света – технологий, которые используют свет для передачи и обработки информации, а не полагаются на электричество», – утверждает Шэнси Хуан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, а также материаловедения и наноинженерии в Университете Райса и соавтор исследования.
Таким образом, демонстрируя, как внутренняя асимметрия Janus TMDs создаёт новые способы влияния на поток света, исследование подчёркивает, что даже незначительные структурные различия могут открыть значительные технологические возможности.
