Ключевым материалом в этом прорыве стали двумерные структуры, такие как дихалькогениды переходных металлов или сложные перовскиты, обладающие уникальной способностью блокировать определенные частоты света.
Ученые управляют светом с помощью двумерного материала с фотонной запрещенной зоной: как это работает
Чтобы понять суть открытия, нужно провести аналогию с обычными транзисторами.
Что такое фотонная запрещенная зона?
В обычном полупроводнике (кремнии) есть электронная запрещенная зона — диапазон энергий, где электроны находиться не могут. Фотонная запрещенная зона — это ее зеркальное отражение для света.
- Принцип: Внутри материала создана строгая периодическая наноструктура (похожая на пчелиные соты или кристаллическую решетку).
- Эффект: Если фотон имеет энергию (цвет/длину волны), попадающую в эту «запрещенную зону», он не может распространяться в материале. Он просто отражается, даже если материал прозрачен для других цветов.
- Управление: Изменяя геометрию этой наноструктуры (например, расстояние между отверстиями в 2D-листе), ученые буквально «запрещают» или «разрешают» свету проходить.
Роль двумерных материалов
Двумерные материалы (толщиной в один атом, как графен) идеально подходят для этой задачи.
- Гибкость: Их можно растягивать, сжимать или накладывать друг на друга, мгновенно меняя параметры фотонной запрещенной зоны.
- Сильные взаимодействия: В 2D-форме свет взаимодействует с веществом гораздо сильнее, чем в объемном кристалле.
Технологический прорыв: от теории к чипу
Долгое время создание фотонной запрещенной зоны в материалах, совместимых с производством микросхем, было проблемой. В 2025 году ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и зарубежных лабораторий представили рабочий прототип.
Управление через симметрию
Исследователи обнаружили, что ширина и положение запрещенной зоны зависят не столько от химического состава, сколько от симметрии кристалла.
- Механизм: Ученые управляют светом с помощью двумерного материала с фотонной запрещенной зоной, поворачивая атомные группы (октаэдры) внутри структуры с помощью электрического поля.
- Результат: Это позволяет создавать «переключатели» для света, которые работают в тысячи раз быстрее, чем кремниевые транзисторы, и почти не выделяют тепла.
Квантовые источники света
Встраивая «дефекты» (намеренные ошибки) в двумерную решетку с фотонной запрещенной зоной, ученые создают идеальные «ловушки» для одиночных фотонов.
- Применение: Это основа для квантовых повторителей, которые необходимы для создания глобального квантового интернета, защищенного от прослушивания.
Практическое применение: где это изменит нашу жизнь
Технология управления светом на наноуровне затронет сразу несколько отраслей.
Оптические компьютеры (Light-based Computing)
- Скорость: Передача данных внутри процессора со скоростью света.
- Нейроморфные чипы: Создание процессоров, имитирующих человеческий мозг, где синапсы — это настраиваемые двумерные материалы с фотонной запрещенной зоной.
Солнечная энергетика
Управление светом позволяет захватывать те фотоны, которые раньше просто отражались от поверхности солнечной панели.
- Ап-конверсия: Использование 2D-материалов для объединения двух низкоэнергетических фотонов в один высокоэнергетический, что резко повышает КПД батарей.
Телекоммуникации (6G и оптоволокно)
- Фильтры: Создание сверхузких оптических фильтров на базе двумерных материалов, которые исключают помехи в оптоволоконных линиях, увеличивая пропускную способность интернета.
Трудности и будущее
Несмотря на успех, технология находится на ранней стадии.
- Масштабирование: Сложно вырастить идеальный двумерный кристалл с фотонной запрещенной зоной размером с пластину для микросхем.
- Интеграция: Необходимо научить кремниевые заводы работать с хрупкими 2D-материалами при комнатной температуре.
Заключение
Эпоха электроники подходит к концу, уступая место фотонике. Тот факт, что ученые управляют светом с помощью двумерного материала с фотонной запрещенной зоной, означает, что мы научились строить «стену» для света или «дверь» для него по собственному желанию. В ближайшие 10 лет это приведет к появлению смартфонов, которые не нагреваются при зарядке, интернету со скоростью мысли и вычислительным мощностям, которые сегодня невозможно представить.