二維半導(dǎo)體中的法拉第效應(yīng)

幾個(gè)世紀(jì)以來，人們一直知道光在某些情況下表現(xiàn)出類似波的行為。當(dāng)光穿過某些材料時(shí)，它們能夠改變光波的偏振(即振蕩方向)。光通信網(wǎng)絡(luò)的核心部件“光隔離器”或“光二極管”就是利用了這種特性。這種元件允許光向一個(gè)方向傳播，但會(huì)阻擋另一個(gè)方向的所有光。

在最近的一項(xiàng)研究中，德國和印度的物理學(xué)家表明，在適合芯片使用的小磁場下，二硒化鎢等超薄二維材料可以將某些波長的可見光的偏振旋轉(zhuǎn)幾度。來自德國明斯特大學(xué)(University of Münster)和印度浦那印度科學(xué)教育與研究所(IISER)的科學(xué)家們?cè)凇蹲匀?通訊》(Nature Communications)雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

傳統(tǒng)光學(xué)隔離器的問題之一是體積相當(dāng)大，尺寸在幾毫米到幾厘米之間。因此，研究人員還無法在芯片上制造出可與日常硅基電子技術(shù)相媲美的微型集成光學(xué)系統(tǒng)。目前的集成光學(xué)芯片上只有幾百個(gè)元件。

相比之下，計(jì)算機(jī)處理器芯片包含數(shù)十億個(gè)開關(guān)元件。因此，德國和印度團(tuán)隊(duì)的研究工作在開發(fā)微型光隔離器方面向前邁出了一步。研究人員使用的二維材料只有幾個(gè)原子層厚，因此比人的頭發(fā)還要細(xì)十萬倍。

明斯特大學(xué)的Rudolf Bratschitsch教授說：“未來，二維材料可能成為光隔離器的核心，并實(shí)現(xiàn)當(dāng)今光學(xué)和未來量子光學(xué)計(jì)算與通信技術(shù)的片上集成。”

來自 IISER 的 Ashish Arora 教授補(bǔ)充說：“即使是光學(xué)隔離器所需的笨重磁鐵，也可以用原子級(jí)薄型二維磁鐵代替。這將大大縮小光子集成電路的尺寸。”

研究小組破譯了導(dǎo)致他們發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)的機(jī)制： 二維半導(dǎo)體中的結(jié)合電子-空穴對(duì)，即所謂的激子，在超薄材料置于小磁場中時(shí)，會(huì)使光的偏振發(fā)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)。

Arora稱：“在二維材料上進(jìn)行如此靈敏的實(shí)驗(yàn)并不容易，因?yàn)闃悠访娣e非常小。科學(xué)家們不得不開發(fā)出一種新的測量技術(shù)，其速度比以前的方法快 1000 倍左右。”

審核編輯 黃宇