Учёные из Университета Гонконга продемонстрировали отрицательное преломление света в магнитном полупроводнике CrSBr (хромистый бромсульфид), используя экситоны (квазичастица, представляющая собой связанное состояние электрона и дырки, возникающая в полупроводниках и диэлектриках). Результаты работы описывают создание интегрированного нанофотонного чипа, работающего как гиперлинза, способная разрешать детали крайне малых размеров.

Отрицательное преломление, когда свет отклоняется в противоположную сторону от нормального, обычно требует использования сложных метаматериалов (искусственно созданные материалы с периодической структурой, обладающие свойствами, не встречающимися в природе). Однако, в данном случае, оно достигается благодаря внутренним свойствам CrSBr, что значительно упрощает производство.

В CrSBr внутренние магнитные моменты выстроены в определённом направлении, что влияет на поведение экситонов. Направляя луч света на тонкую пластинку CrSBr, учёные обнаружили, что экситоны переизлучают свет в направлении, противоположном падающему лучу – это и есть признак отрицательного преломления.

Иллюстрация: The University of Hong Kong / Xiang Zhang’s Group

Созданная гиперлинза состоит из пластинки CrSBr, интегрированной в фотонный чип. Свет, попадая в пластинку, направляется экситонами по криволинейным траекториям, сходящимся в пятно, сопоставимое по размеру с длиной волны света. Это позволяет создать гиперлинзу, работающую на основе естественного материала.

Разработка открывает возможности для создания перестраиваемых оптических компонентов. Магнитный порядок в CrSBr можно переключать с помощью внешнего магнитного поля или изменения температуры, что позволяет переключать устройство между нормальным и отрицательным преломлением.

В будущем этот материал может быть использован для создания микроскопов, методов литографии высокого разрешения и оптических вычислительных систем. Сейчас авторы работы планируют интегрировать CrSBr с другими фотонными и оптоэлектронными компонентами для создания прототипов функциональных устройств, таких как настраиваемая суперлинза или оптический переключатель, управляемый магнитным полем. Они также изучают многослойные структуры CrSBr с небольшими углами скручивания, где муаровые суперрешётки могут значительно изменять поведение экситонов.