Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали самое тонкое оптическое устройство в мире — волновод толщиной всего в три атома. 

Оптический волновод — это физическая конструкция, которая проводит электромагнитные волны оптического спектра. При этом поток мощности, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу. Основной механизм работы оптического волновода таков: когда свет проходит через фотонный кристалл, он попадает внутрь и направляется вдоль плоскости посредством полного внутреннего отражения. 

Оптические волноводы являются важнейшими компонентами систем передачи данных, однако их масштабирование до наноразмеров до сих пор остается сложной задачей, несмотря на достижения в области нанооптики и наноматериалов. 

На этом пути дальше всех продвинулись специалисты Калифорнийского университета в Сан-Диего. Созданный ими волновод имеет толщину примерно в шесть ангстрем — это более чем в 10000 раз тоньше, чем обычное оптическое волокно, и примерно в 500 раз тоньше, чем встроенные оптические волноводы в интегральных фотонных схемах.

Волновод состоит из монослоя дисульфида вольфрама (состоящего из одного слоя атомов вольфрама, расположенного между двумя слоями атомов серы), закрепленного на кремниевой рамке. Монослой также имеет массив наноразмерных отверстий, образующих фотонный кристалл.

Что особенного в этом монослойном кристалле, так это то, что он поддерживает связанные состояния электрона и дырки, известные как экситоны, при комнатной температуре. Эти экситоны генерируют сильный оптический отклик, обеспечивая кристаллу показатель преломления примерно в четыре раза больше, чем у воздуха, который окружает его поверхность. Никакой другой материал с такой же толщиной не имел бы столь высокого показателя. Еще одна особенность волновода заключается в том, что он переносит свет в видимом спектре, что очень сложно было осуществить  в таком тонком материале.

Для создания волновода исследователи использовали передовые методы микро- и нанофабрикации. Процесс начинается с создания тонкой мембраны из нитрида кремния на кремниевой рамке. Это подложка, на которой построен волновод. Далее в мембране формируется массив наноразмерных отверстий. Затем на мембрану наносится монослой кристалла дисульфида вольфрама. После этого ионы посылаются через мембрану, чтобы вытравить ту же схему отверстий в кристалле. 

На последнем этапе мембрана из нитрида кремния осторожно вытравливается, оставляя кристалл подвешенным на кремниевой рамке. В результате получается оптический волновод, в котором ядро ​​состоит из однослойного фотонного кристалла дисульфида вольфрама, окруженного материалом (воздухом) с более низким показателем преломления.

Такое устройство расширяет возможности миниатюризации оптоэлектронных приборов и проверки фундаментальных физических концепций.