Світло може переносити великі обсяги інформації з надзвичайною швидкістю, тому досліджуються фотонічні технології для швидшого зв’язку, потужних обчислювальних засобів і чутливих датчиків. Але щоб ці системи працювали, дослідникам потрібні точні способи контролювати напрямок світла та дуже швидко його змінювати.
Тепер дослідники Каліфорнійського технологічного інституту розробили пристрій, який використовує один промінь світла для передачі іншого лише за 74 фемтосекунди (74 квадрильйони разів на секунду). Приблизно стільки часу потрібно, щоб світло подолало всю ширину людської волосини.
«Спрямовувати світло зі світлом дуже складно, тому що світло зазвичай дуже слабо взаємодіє з речовиною. Використовуючи оптичні мета-поверхні (ретельно оброблені наноінженерними листами), ми можемо збільшити силу взаємодії, щоб зробити це можливим з більшою ефективністю», — каже Гаррі Етватер, професор прикладної фізики та матеріалознавства Говарда Хьюза в Інженерному відділі та Азербайджані. Прикладна наука в Каліфорнійському технологічному інституті.
Дослідники повідомляють про свої висновки в нещодавно опублікованій статті Нанотехнології природи. Провідний автор Клаудіо Хейл провів дослідження, коли він був доктором наук у лабораторії Каліфорнійського технологічного інституту Етвотера. Зараз він доцент кафедри машинобудування в Каліфорнійському університеті в Берклі.
Чому традиційне легке кермо має обмеження швидкості
Багато існуючих технологій керування або модуляції світла залежать від зміни електронних властивостей матеріалів. Приклади включають рідкокристалічні панелі, що використовуються в проекторах, і оптичні чіпи, які використовуються в телекомунікаційних системах.
У цих пристроях електрони штовхаються до вищого енергетичного стану, а потім повертаються до нижчого стану та вивільняють свою надлишкову енергію. Ця релаксація вимагає часу та створює бар’єр, який зазвичай обмежує модуляцію світла до наносекунд або пікосекунд (трильйонних часток секунди).
Команда Atwater застосувала інший підхід, усунувши потребу в електричному сигналі. Замість цього дослідники використовували потужне світло, відоме як насос, із ретельно розробленим візерунком, який тимчасово змінив оптичну поведінку матеріалу.
Другий, слабший промінь, званий зондом, потім пройшов через цей матеріал. Його напрямок змінювався відповідно до малюнка, створеного світлом насоса.
Використання оптичного ефекту Керра
Система базується на явищі, відомому як оптичний ефект Керра. Коли інтенсивний промінь світла проходить крізь матеріал, він може короткочасно спричинити дуже незначні зміни показника заломлення матеріалу, який описує, наскільки світло сповільнюється та згинається, коли воно проходить крізь цей матеріал.
Ефект викликаний зміною рухливості електронів всередині їх орбіталі, області навколо ядра атома, де велика ймовірність розміщення електронів. Важливо, що електрони не штовхаються в єдиний довгоживучий збуджений стан.
У результаті зміни можуть з’являтися і зникати так само швидко, як і сам імпульс світла. Не потрібно чекати, поки збуджені електрони повернуться на нижчий енергетичний рівень.
Однак оптичний ефект Керра занадто слабкий, щоб сфокусувати промінь світла до такої міри, яка була б корисною в практичних пристроях.
Нанорозмірні кремнієві колонки посилюють ефект
Щоб посилити відповідь, дослідники зробили мета-лист із тонкого шару аморфного кремнію. Його поверхня була покрита нанорозмірними колонами, кожна з яких була меншою за довжину хвилі світла накачки.
Ретельно обравши розмір і відстань між цими стовпами, команда змусила світло залишатися всередині метаплощини трохи довше, і замість того, щоб проходити прямо крізь неї, воно відскакувало всередині неї.
Цей додатковий час взаємодії збільшив невеликі зміни показника заломлення кремнію. Удар був достатньо сильним, щоб перенаправити промінь зонду.
Використовуючи цей дизайн, дослідники маніпулювали світлом під кутом до 13 градусів менш ніж за 74 фемтосекунди. Вони також показали, що швидкість модуляції була обмежена тривалістю імпульсу накачування (яка також становила 74 фемтосекунди).
Можливо навіть більш швидке керування світлом
Дослідники кажуть, що поточна швидкість залежить від лазерних імпульсів, які використовуються для керування системою, а не від фундаментальних властивостей самого метаматеріалу.
Це відкриває можливість ще більше прискорити процес. З подальшим розвитком технологія може наздогнати нові концепції фотоніки, включаючи кристали, що змінюються в часі, і синтетичні оптичні матеріали, що змінюються в часі.
Стаття має назву «Надшвидке, повністю регульоване керування оптичним променем і просторова модуляція світла». Разом із Хейлом і Етвотером Лео Майкл також є автором статті. Він отримав постдокторську ступінь в Каліфорнійському технологічному інституті та зараз є доцентом кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії в Тель-Авівському університеті.
Робота була підтримана фінансуванням Управління наукових досліджень бази ВПС та Ініціативи мультидисциплінарних досліджень Університету Мета-імтінг, Швейцарського національного наукового фонду, Програми стипендій імені Фулбрайта та Фонду прориву. Інститут нанонауки Кавлі при Каліфорнійському технологічному інституті надав інфраструктуру та підтримку для роботи.
