Количественный критерий, который облегчает поиск материалов с высоким коэффициентом преломления, нашли физики Университета ИТМО, сообщает пресс-служба университета 30 октября на официальном сайте администрации Санкт-Петербурга.

Ученые утверждают, что сделанное открытие поможет в создании компактных и эффективных элементов для оптической вычислительной техники — лазеров, чипов и сенсоров. Результаты исследования опубликованы в Nanophotincs 28 октября.

Отмечается, что фундаментальные ограничения на минимальный размер вычислительных элементов связаны с вероятностью перегревания структуры, в которой протекает электрический ток. Скоро разработчики упрутся в предел, когда дальнейшая модернизация вычислительных машин на электронах не позволит обеспечить необходимый рост производительности.

Решением могут стать оптические компьютеры, где обработка информации происходит за счет движения не электронов, а фотонов — частиц света, не нагревающих среду. Студент Нового физтеха Университета ИТМО Антон Шубник пояснил, что для замены обычных компьютеров на оптические необходимо создать чипы и лазеры, сопоставимые с их размером. А для разработки оптических деталей в нанометровом масштабе нужны материалы с высоким коэффициентом преломления.

Пресс-служба уточняет, что высоковосприимчивых к свету материалов не так много, и ученые пока не знают, где их искать. Один из таких материалов — кремний (Si), коэффициент преломления которого равен четырем.

Математические изыскания позволили физикам ИТМО найти критерий, по которому можно предсказать коэффициент преломления для каждого вещества до проведения физического эксперимента или сложного численного моделирования. Критерий основан на электронных свойствах той или иной структуры.

«Мы сосредоточили внимание на полупроводниках. У них есть такой хорошо известный для многих веществ и часто используемый параметр, как ширина запрещенной зоны. В оптике это значение определяет максимальную частоту волны, при которой материал остается прозрачным. Второй параметр — эффективная масса электрона. У каждого электрона есть масса, но из-за взаимодействия с другими частицами в материале электрон будет вести себя как частица, у которой вес существенно отличается», — пояснил один из соавторов, руководитель Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО Иван Иорш.

С помощью выведенного критерия ученые нашли перспективный материал для оптических элементов, показатель преломления которого в видимом диапазоне значительно выше, чем у кремния, и равен 6,5–7. Это диселенид рения (IV) (ReSe2).

Критерий может быть использован для автоматического поиска перспективных кандидатов на новые материалы с высоким показателем преломления для полностью диэлектрической фотоники. Исследователи планируют провести поиск по открытым базам с электронными свойствами материалов, чтобы обнаружить другие структуры с необходимым показателем преломления.