Две независимые исследовательские группы из Гарвардского университета, а также Института квантовой электроники в Цюрихе практически одновременно недавно завершили разработку сверхтонких зеркал, обладающих минимальной толщиной на текущий момент развития новых технологий. Отражающим слоем всех данных конструкций служит лист диселенида молибдена (MoSe2), сопоставимый по размеру с одним атомом. Данные микроскопические зеркала способны функционировать в качестве рабочих элементов компактных датчиков, обеспечивая модуляцию и направление световых лучей, несущих информацию внутри кристаллов компьютерных процессоров. При достижении минимальных значений толщины различные материалы могут как сохранять свои оптические характеристики, так и частично или полностью утрачивать способность к отражению света.
Зеркало, созданное исследователями из Гарварда, установленное на кремниевом основании, отражает до 85 процентов падающего на него света. Зеркало, созданное в Цюрихе и установленное на основании из кварца, имеет худшие характеристики, оно отражает до 41 процента света. И оба зеркала эффективно работают в диапазоне 780 нанометров, что соответствует свету темно-красного цвета.
Диселенид молибдена обладает высокой светоотражающей способностью, благодаря необычному поведению электронов его атомов. Когда фотон света попадает в атом, у электрона имеется достаточно высокий шанс “выпрыгнуть” из своей орбиты, оставив за собой положительно заряженную “электронную дырку”.
При некоторых параметрах фотонов света их энергии недостаточно для того, чтобы отправить электрон далеко в пространство и он, этот электрон, начинает вращаться вокруг электронной дырки, формируя странный квантовый объект, квазичастицу, называемую экситоном. Электроны атомов, входящих в состав диселенида молибдена ведут себя подобным образом, когда этот материал освещается светом с определенной длиной волны.
Через некоторое время экситоны излучают заключенный в них свет и электрон возвращается на свое место. Инициатором этого процесса являются другие фотоны падающего на материал света, в результате чего фотон, излученный экситоном, движется в направлении, обратном направлению падающего света, а вся поверхность материала работает как зеркало.
Проводя исследования, ученые обнаружили, что слой MoSe2 является чем-то большим, нежели простое зеркало. В зависимости от величины и полярности поданного на него электрического потенциала, отражательная способность крошечного зеркала может снизиться или увеличиться. Данный процесс происходит с очень большой скоростью, благодаря чему зеркала из диселенида молибдена можно использовать в качестве оптоэлектронных модуляторов, позволяющих формировать короткие импульсы света или придавать определенную форму более длинным импульсам.
Для любознательных
Прямо сейчас в России такой разработкой занимается команда из Университета ИТМО (конкретно — исследователи Нового физтеха ИТМО). Я бы сразу оговорилась: в научной среде эту идею часто формулируют чуть иначе — не «зеркало», а переключаемая метаповерхность или оптический коммутатор атомарного масштаба, где управление отражением света идёт за счёт экситонов. Но суть та же: сделать структуру толщиной в один или несколько атомов, которая по команде (например, от лазера или электрического сигнала) меняет свойство — становится либо прозрачной, либо зеркальной.
Как это работает
Учёные создают ультратонкие слои из определённых полупроводниковых материалов (например, дихалькогенидов переходных металлов вроде MoS₂ или MoSe₂). Когда в таком слое генерируются экситоны (квазичастицы, связанные состояния электрона и «дырки»), они сильно взаимодействуют со светом. Ключевой момент: с помощью внешних воздействий (лазер, электрическое поле) можно контролировать плотность и распределение экситонов. Меняя их концентрацию в разных участках структуры, исследователи управляют тем, как материал отражает или пропускает свет. В итоге получается элемент, который по сути работает как зеркало на уровне отдельных атомов, но с возможностью динамически переключать его состояние.
В 2026 году в прессе активно обсуждали результаты этой работы. Учёные из ИТМО в сотрудничестве с коллегами из Республики Корея смогли усилить ток экситонов примерно в 80 раз на масштабе нескольких десятков нанометров. Это критически важно: именно такой контроль и усиление позволяют сделать систему достаточно эффективной для практических задач — например, для создания сверхкомпактных элементов в оптоэлектронных чипах, для обработки оптических сигналов в системах искусственного интеллекта или для передачи данных. В планах команды — протестировать в этой схеме один из самых маленьких в мире лазеров (объёмом 0,005 кубического микрометра), который ранее разработали специалисты ИТМО совместно с МФТИ.
Почему это перспективно?
Такие устройства потенциально могут стать основой для новых классов квантовых и оптоэлектронных технологий: более быстрых, компактных и энергоэффективных, чем текущие решения на одних только электронах или классических фотонах.
Ключевые преимущества технологии
- Атомарная толщина и компактность
Структура имеет толщину в один или несколько атомов (нанометры), что позволяет:
- интегрировать такие элементы в сверхминиатюрные устройства;
- создавать многослойные оптические схемы без существенного увеличения габаритов;
- размещать тысячи и миллионы таких «зеркал» на площади, где раньше помещался один оптический компонент.
- Сверхбыстрое переключение
Экситонные процессы происходят за фемтосекундные ( с) и пикосекундные ( с) временные интервалы. Это даёт:
- скорость переключения в тысячи раз выше, чем у традиционных электромеханических зеркал;
- возможность обработки оптических сигналов на терагерцовых частотах;
- потенциал для создания оптических компьютеров с рекордным быстродействием.
- Низкое энергопотребление
Управление экситонами требует значительно меньше энергии, чем:
- перемещение механических элементов;
- нагрев или охлаждение материалов;
- работа традиционных полупроводниковых компонентов.
- Квантовые эффекты и новые возможности
Квантовая природа экситонов позволяет:
- работать с отдельными фотонами;
- создавать квантовые логические элементы;
- реализовывать квантовую криптографию и квантовые коммуникации на новом уровне.
- Гибкость управления оптическими свойствами
Можно динамически менять:
- коэффициент отражения (от почти 0 % до почти 100 %);
- спектральную характеристику (отражать или пропускать определённые длины волн);
- фазовые характеристики отражённого света;
- направление отражения (при создании массивов таких элементов).
Конкретные области применения
- Оптические компьютеры и процессоры
- замена электронных соединений оптическими каналами;
- создание оптических логических элементов;
- высокоскоростная обработка данных без преобразования в электрические сигналы.
- Телекоммуникации и оптоволоконные сети
- сверхбыстрые оптические коммутаторы и маршрутизаторы;
- динамическая реконфигурация оптических сетей;
- повышение пропускной способности каналов связи.
- Квантовые технологии
- элементы для квантовых компьютеров;
- компоненты квантовой криптографии;
- квантовые повторители для дальней связи.
- Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления
- оптические нейронные сети с высокой скоростью обучения;
- энергоэффективные системы ИИ;
- параллельная обработка больших массивов данных.
- Датчики и сенсоры
- сверхчувствительные биосенсоры;
- датчики давления, температуры, химического состава;
- компактные спектрометры.
- Дисплеи и проекционные системы
- дисплеи с ультравысоким разрешением;
- голографические проекторы;
- адаптивные оптические системы.
- Космические и авиационные технологии
- лёгкие и компактные оптические системы связи;
- системы навигации и ориентации;
- адаптивная оптика для космических телескопов.
- Медицина
- миниатюрные эндоскопы и диагностические приборы;
- оптические манипуляторы для микрохирургии;
- биосенсоры для диагностики заболеваний.
Экономические и стратегические перспективы
- Снижение стоимости оптических компонентов за счёт миниатюризации и массового производства.
- Энергоэффективность — критически важна для дата‑центров и мобильных устройств.
- Импортозамещение в стратегически важных областях оптоэлектроники и квантовых технологий.
- Новые рынки — создание принципиально новых продуктов, которых раньше не существовало.
- Ускорение научно‑технического прогресса во многих смежных областях.
Таким образом, технология зеркал атомарного размера на экситонах может стать основой для технологической революции в оптике, электронике и вычислительной технике — подобно тому, как транзисторы изменили мир в середине XX века.
