Ученые из США представили разработку в области фотоники — чип на основе метаматериала, позволяющий управлять одним лучом света с помощью другого. Устройство использует структурированный управляющий луч для изменения оптических свойств материала, благодаря чему второй, зондирующий луч, меняет свою траекторию. Время перенаправления составляет 74 фемтосекунды, что соответствует времени прохождения света через расстояние, равное толщине человеческого волоса.
Фотонные технологии рассматриваются как перспективная основа для высокоскоростной связи, вычислительных систем и сенсоров, однако ключевой инженерной задачей остается оперативное управление направлением световых потоков. Большинство существующих решений, включая жидкокристаллические модуляторы и телекоммуникационные оптические чипы, полагаются на изменение электронных свойств материалов. В таком случае скорость ограничена процессами релаксации электронов и обычно находится в диапазоне нано- или пикосекунд.
Предложенный подход основан на оптическом эффекте Керра, при котором интенсивный световой импульс временно изменяет показатель преломления среды, воздействуя на движение электронов на орбиталях, без перехода их в долгоживущие состояния. Это позволяет эффекту возникать и исчезать практически синхронно с импульсом. Однако в обычных материалах этого воздействия недостаточно для практического отклонения луча.
Для усиления эффекта ученые создали метаповерхность из тонкой пленки аморфного кремния с наностолбиками, размеры и расстояние между которыми подобраны так, чтобы свет задерживался внутри структуры. Это увеличивает влияние изменения показателя преломления и обеспечивает отклонение луча на угол до 13 градусов.
Как отмечают авторы работы, текущая скорость модуляции ограничена длительностью лазерного импульса накачки, а не внутренними характеристиками самого метаматериала. В перспективе это открывает возможность для дальнейшего увеличения быстродействия и применения подобных структур в таких концепциях, как временные кристаллы и синтетические оптические материалы с динамически изменяемыми свойствами.
Читайте также: «Ученые нарушили фундаментальный принцип физики и запрограммировали тепловое излучение».