Оптическое отбеливание — явление, при котором непрозрачные материалы временно становятся прозрачными под действием интенсивного лазерного импульса, — давно известно в нелинейной оптике. Однако до сих пор большинство материалов демонстрировали такой переход только для одного цвета или длины волны, что ограничивало возможности для создания многофункциональных оптических переключателей.
В современных телекоммуникациях и оптических вычислениях требуется быстрое и надежное переключение света между несколькими спектральными диапазонами. Преобладающие технологии опираются на микромеханические системы (MEMS), которые используют электрическое напряжение или ток. Это приводит к относительно медленной реакции, что становится существенным ограничением на фоне стремительного роста объемов передаваемых данных и потребности в защите информации.
Международная команда исследователей под руководством профессора Джунджуна Цзя из Университета Васэда (Япония) совместно с профессором Хуэй Е и доктором Хоссамом Альмоссалами из Чжэцзянского университета (Китай), а также профессором Наооми Ямадой (Чубу, Япония) и доктором Такаси Яги (AIST, Япония) провела исследования, которые открывают новые горизонты для оптических технологий. Учёные сфокусировались на тонких пленках германия — полупроводника с мультивелевой зонной структурой, обладающего уникальными оптическими свойствами.
Особое внимание было уделено явлению мультивелевого оптического переключения в германии при воздействии мощного одноколорного лазерного импульса. Исследователи доказали, что германий способен к сверхбыстрому переключению прозрачности в широком диапазоне длин волн — от видимого до ближнего инфракрасного диапазона. Такой эффект достигается за счёт мгновенного перераспределения электронов между энергетическими долинами (Γ и L) в зоне проводимости германия.
Экспериментальные данные были получены с помощью фемтосекундной разрешённой во времени спектроскопии, что позволило зафиксировать динамику переходов с точностью до триллионных долей секунды. В спектрах наблюдалась характерная раздельная энергия в 240 мэВ в точке L высокосимметричной зоны Бриллюэна, что свидетельствует о сложной мультивелевой структуре переходов.
Для точного анализа были выбраны специальные энергии зондирования, рассчитанные на основе HSE06-функционала с учетом спин-орбитального взаимодействия, что позволило отследить временное распределение электронов в долинах Γ и L. Профессор Цзя отметил: «Тщательный выбор энергий зондирования, основанный на расчетах с использованием HSE06-функционала и эффектов спин-орбитального взаимодействия, позволил нам с высокой точностью зафиксировать мгновенную электронную заселенность как в долине Γ, так и в долине L».
Полученные результаты не только раскрывают фундаментальные механизмы интра- и интерваллейного рассеяния носителей, но и позволяют выделить характерные времена этих процессов в мультивелевых материалах, что ранее было практически недостижимо в экспериментах.
Главное технологическое преимущество заключается в том, что германий позволяет управлять прозрачностью сразу на нескольких длинах волн, используя только один лазерный импульс. Это открывает путь к созданию сверхбыстрых оптических переключателей для передачи данных, вычислений и коммуникаций, значительно превышающих по скорости традиционные MEMS-устройства. «Наши результаты подтверждают, что интенсивное лазерное воздействие на пленки германия обеспечивает сверхбыстрое оптическое переключение на нескольких длинах волн, открывая новые возможности для оптических коммуникаций, вычислений и других областей», — прокомментировал профессор Цзя.
В условиях непрерывно растущего интернет-трафика и потребности в высокоскоростной передаче данных мультиспектральные оптические переключатели на основе германия способны стать ключевым элементом инфраструктуры будущего. Профессор Цзя подчеркивает: «Это открытие отвечает возрастающему спросу на более высокие скорости передачи данных и безопасность, знаменуя важный шаг вперед в развитии сверхбыстрых оптических переключательных устройств».
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Applied 24 февраля 2025 года.
Изображение носит иллюстративный характер
В современных телекоммуникациях и оптических вычислениях требуется быстрое и надежное переключение света между несколькими спектральными диапазонами. Преобладающие технологии опираются на микромеханические системы (MEMS), которые используют электрическое напряжение или ток. Это приводит к относительно медленной реакции, что становится существенным ограничением на фоне стремительного роста объемов передаваемых данных и потребности в защите информации.
Международная команда исследователей под руководством профессора Джунджуна Цзя из Университета Васэда (Япония) совместно с профессором Хуэй Е и доктором Хоссамом Альмоссалами из Чжэцзянского университета (Китай), а также профессором Наооми Ямадой (Чубу, Япония) и доктором Такаси Яги (AIST, Япония) провела исследования, которые открывают новые горизонты для оптических технологий. Учёные сфокусировались на тонких пленках германия — полупроводника с мультивелевой зонной структурой, обладающего уникальными оптическими свойствами.
Особое внимание было уделено явлению мультивелевого оптического переключения в германии при воздействии мощного одноколорного лазерного импульса. Исследователи доказали, что германий способен к сверхбыстрому переключению прозрачности в широком диапазоне длин волн — от видимого до ближнего инфракрасного диапазона. Такой эффект достигается за счёт мгновенного перераспределения электронов между энергетическими долинами (Γ и L) в зоне проводимости германия.
Экспериментальные данные были получены с помощью фемтосекундной разрешённой во времени спектроскопии, что позволило зафиксировать динамику переходов с точностью до триллионных долей секунды. В спектрах наблюдалась характерная раздельная энергия в 240 мэВ в точке L высокосимметричной зоны Бриллюэна, что свидетельствует о сложной мультивелевой структуре переходов.
Для точного анализа были выбраны специальные энергии зондирования, рассчитанные на основе HSE06-функционала с учетом спин-орбитального взаимодействия, что позволило отследить временное распределение электронов в долинах Γ и L. Профессор Цзя отметил: «Тщательный выбор энергий зондирования, основанный на расчетах с использованием HSE06-функционала и эффектов спин-орбитального взаимодействия, позволил нам с высокой точностью зафиксировать мгновенную электронную заселенность как в долине Γ, так и в долине L».
Полученные результаты не только раскрывают фундаментальные механизмы интра- и интерваллейного рассеяния носителей, но и позволяют выделить характерные времена этих процессов в мультивелевых материалах, что ранее было практически недостижимо в экспериментах.
Главное технологическое преимущество заключается в том, что германий позволяет управлять прозрачностью сразу на нескольких длинах волн, используя только один лазерный импульс. Это открывает путь к созданию сверхбыстрых оптических переключателей для передачи данных, вычислений и коммуникаций, значительно превышающих по скорости традиционные MEMS-устройства. «Наши результаты подтверждают, что интенсивное лазерное воздействие на пленки германия обеспечивает сверхбыстрое оптическое переключение на нескольких длинах волн, открывая новые возможности для оптических коммуникаций, вычислений и других областей», — прокомментировал профессор Цзя.
В условиях непрерывно растущего интернет-трафика и потребности в высокоскоростной передаче данных мультиспектральные оптические переключатели на основе германия способны стать ключевым элементом инфраструктуры будущего. Профессор Цзя подчеркивает: «Это открытие отвечает возрастающему спросу на более высокие скорости передачи данных и безопасность, знаменуя важный шаг вперед в развитии сверхбыстрых оптических переключательных устройств».
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Applied 24 февраля 2025 года.
