Het is al eeuwenlang bekend dat licht in bepaalde situaties golfachtig gedrag vertoont. Sommige materialen zijn in staat de polarisatie, dat wil zeggen de richting van de oscillatie, van de lichtgolf te roteren wanneer het licht door het materiaal gaat. Deze eigenschap wordt gebruikt in een centraal onderdeel van optische communicatienetwerken, bekend als een ‘optische isolator’ of ‘optische diode’. Deze component zorgt ervoor dat licht zich in de ene richting kan voortplanten, maar blokkeert al het licht in de andere richting.
In een recent onderzoek hebben Duitse en Indiase natuurkundigen aangetoond dat ultradunne tweedimensionale materialen zoals wolfraamdiselenide de polarisatie van zichtbaar licht bij bepaalde golflengten met enkele graden kunnen roteren onder kleine magnetische velden die geschikt zijn voor gebruik op chips. De wetenschappers van de Universiteit van Münster, Duitsland, en het Indian Institute of Science Education and Research (IISER) in Pune, India, hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Een van de problemen met conventionele optische isolatoren is dat ze behoorlijk groot zijn en afmetingen variëren tussen enkele millimeters en enkele centimeters. Als gevolg hiervan zijn onderzoekers er nog niet in geslaagd geminiaturiseerde geïntegreerde optische systemen op een chip te creëren die vergelijkbaar zijn met alledaagse, op silicium gebaseerde elektronische technologieën. De huidige geïntegreerde optische chips bestaan uit slechts een paar honderd elementen op een chip.
Ter vergelijking: een computerprocessorchip bevat vele miljarden schakelelementen. Het werk van het Duits-Indische team is daarom een stap voorwaarts in de ontwikkeling van geminiaturiseerde optische isolatoren. De door de onderzoekers gebruikte 2D-materialen zijn slechts enkele atomaire lagen dik en dus honderdduizend keer dunner dan een mensenhaar.
“In de toekomst zouden tweedimensionale materialen de kern kunnen worden van optische isolatoren en on-chip integratie mogelijk maken voor de huidige optische en toekomstige kwantumoptische computer- en communicatietechnologieën”, zegt prof. Rudolf Bratschitsch van de Universiteit van Münster.
Professor Ashish Arora van IISER voegt hieraan toe: “Zelfs de omvangrijke magneten, die ook nodig zijn voor optische isolatoren, zouden kunnen worden vervangen door atomair dunne 2D-magneten.” Dit zou de omvang van fotonische geïntegreerde schakelingen drastisch verminderen.
Het team ontcijferde het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het gevonden effect: gebonden elektronen-gatparen, zogenaamde excitonen, in 2D-halfgeleiders roteren de polarisatie van het licht zeer sterk wanneer het ultradunne materiaal in een klein magnetisch veld wordt geplaatst.
Volgens Arora: “Het uitvoeren van zulke gevoelige experimenten met tweedimensionale materialen is niet eenvoudig omdat de monstergebieden erg klein zijn.” De wetenschappers moesten een nieuwe meettechniek ontwikkelen die zo’n duizend keer sneller is dan eerdere methoden.