Materiál, který se jedním směrem chová jako kov a po otočení o 90 stupňů připomíná průhledné sklo, zní spíš jako fyzikální trik než jako reálný krystal. Právě takové vlastnosti ale vědci popsali u molybdenum oxychloridu, tedy MoOCl₂. Jde o vrstevnatý van der Waalsův krystal, který se v posledních letech dostává do hledáčku výzkumníků zabývajících se nanofotonikou.

Nová práce publikovaná v časopise Nano Letters přinesla první ucelené experimentální určení jeho dielektrického tenzoru. Jednoduše řečeno, vědci přesně změřili, jak materiál reaguje na světlo v různých směrech. Právě tato čísla jsou klíčová, pokud se má z laboratorní zajímavosti stát použitelný stavební kámen pro optické součástky.

Na studii se podílel tým autorů včetně Georgyho Ermolaeva, Adileta Toksumakova, Zdeňka Sofera, Alekseye Arsenina, nositele Nobelovy ceny Kostyi S. Novoselova a Valenty­na Volkova. Výsledky ukazují, že MoOCl₂ má mimořádně silnou optickou anizotropii. V jedné krystalografické ose vykazuje kovovou odezvu, zatímco v kolmém směru se chová jako dielektrikum.

Světlo ve viditelné oblasti se může chovat jinak

Jedním z nejzajímavějších údajů je takzvaný epsilon-near-zero bod přibližně na vlnové délce 512 nanometrů, tedy v zelené části viditelného spektra. V této oblasti se jedna složka optické odezvy materiálu blíží nule. Důležité je, že nejde o exotický jev někde mimo běžně využívané spektrum, ale o oblast, se kterou pracují lasery, mikroskopy, senzory i zobrazovací technologie.

Studie zároveň uvádí obří dvojlom v rovině krystalu s hodnotou přibližně Δn 2,2. Takto silný rozdíl v chování světla podle směru umožňuje velmi účinně řídit polarizaci, směr šíření i koncentraci elektromagnetické energie v extrémně malém prostoru.

Praktické využití se nedá čekat zítra, ale význam objevu je zřejmý. Optické prvky dnes často zabírají víc místa, než by si vývojáři chytrých brýlí, kontaktních čoček nebo fotonických čipů přáli. Pokud lze podobné funkce přenést do tenkých vrstev materiálu, otevírá to cestu k menším, lehčím a energeticky úspornějším zařízením.

MoOCl₂ je zajímavý i tím, že patří mezi takzvané špatné kovy a obsahuje jednorozměrné řetězce atomů molybdenu. Elektrony se proto v jednom směru pohybují snáze než v jiném. Z pohledu optiky to vytváří neobvykle výrazný rozdíl mezi jednotlivými směry v krystalu.