Оскільки світло може передавати величезні обсяги інформації з неймовірною швидкістю, фотонні технології досліджуються для швидшого зв’язку, потужнішого обчислення та більш чутливих датчиків. Однак, щоб ці системи працювали, дослідникам потрібні точні способи керування та дуже швидкої зміни напрямку світла.

Дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту розробили пристрій, який використовує один промінь світла для зміни напрямку іншого всього за 74 фемтосекунди (74 квінтильйонних частки секунди). Це приблизно час, який потрібен світлу, щоб подолати ширину людської волосини.

«Контролювати світло за допомогою світла, як правило, дуже важко, тому що його взаємодія з матерією дуже слабка. Використовуючи оптичні метаповерхні (ретельно розроблені наноінженерні ультратонкі листи), ми можемо збільшити силу взаємодії та зробити це можливим із набагато вищою ефективністю», — сказав Гаррі Етватер, професор прикладної фізики та матеріалознавства Говарда Хьюза та керівник кафедри інженерії та прикладних наук Отіс Бут у Каліфорнійський технологічний інститут.

Дослідники повідомляють про свої висновки в нещодавно опублікованій статті. природні нанотехнології. Провідний автор Клаудіо Хейл провів дослідження, будучи докторантом у лабораторії Каліфорнійського технологічного інституту Атватера. Зараз він є доцентом кафедри машинобудування в Університеті Каліфорнії в Берклі.

Чому існує обмеження швидкості у звичайному легкому кермі?

Багато існуючих методів маніпулювання та модуляції світла покладаються на зміну електронних властивостей матеріалів. Приклади включають рідкокристалічні панелі, що використовуються в проекторах, і оптичні чіпи, що використовуються в системах зв’язку.

У цих пристроях електрони штовхаються до вищого енергетичного стану, а потім повертаються до нижчого енергетичного стану, вивільняючи надлишок енергії. Ця релаксація потребує часу та зазвичай створює вузькі місця, які обмежують модуляцію світла до наносекундних або пікосекундних масштабів часу (трильйонних часток секунди).

Команда Atwater застосувала інший підхід, усунувши потребу в електричних сигналах. Замість цього дослідники використовували потужний промінь світла, відомий як насос, із ретельно розробленим малюнком, який тимчасово змінює оптичну поведінку матеріалу.

Другий, слабший промінь, званий зондом, пройшов крізь матеріал. Його напрямок змінювався відповідно до малюнка, створеного пучком насоса.

Використання оптичного ефекту Керра

Ця система використовує явище, відоме як оптичний ефект Керра. Коли сильний промінь світла проходить крізь матеріал, він може спричинити дуже незначну зміну показника заломлення матеріалу на короткий час. Це описує, наскільки світло сповільнюється та викривляється, коли воно проходить через матеріал.

Цей ефект є результатом змін у русі електронів в межах Орбіталі, області навколо ядра, де ймовірно знаходяться електрони. Важливо, що електрони не штовхаються в окремі, довготривалі збуджені стани.

В результаті зміни можуть з’являтися і зникати майже так само швидко, як і сам світловий імпульс. Немає необхідності чекати, поки збуджені електрони повернуться на нижчий енергетичний рівень.

Але сам по собі оптичний ефект Керра занадто слабкий, щоб перенаправити світловий промінь на величину, яка була б корисною в практичному пристрої.

Нанорозмірні кремнієві стовпи підсилюють ефект

Щоб посилити реакцію, дослідники створили метаповерхню з тонкої плівки аморфного кремнію. Поверхня була покрита нанорозмірними стовпами, меншими за довжину хвилі світла накачки.

Ретельно вибираючи розмір і відстань між цими опорами, команда переконалася, що світло залишалося в межах метаповерхні трохи довше та циркулювало всередині, а не просто проходило крізь неї.

Цей додатковий час взаємодії посилив невеликі зміни показника заломлення в кремнії. Отриманий ефект став досить сильним, щоб змінити напрямок зондуючого променя.

Використовуючи цю конструкцію, дослідники змогли керувати світлом під кутом до 13 градусів лише за 74 фемтосекунди. Вони також показали, що швидкість модуляції обмежена тривалістю імпульсу накачування (також 74 фемтосекунди).

Можливе навіть більш швидке затемнення

Дослідники кажуть, що нинішнє обмеження швидкості обумовлено лазерними імпульсами, які використовуються для роботи системи, а не фундаментальними властивостями самого метаматеріалу.

Тому залишається можливість ще більше прискорити процес. З подальшим розвитком ця технологія може досягти часових масштабів, відповідних новим фотонним концепціям, включаючи часові кристали та синтетичні оптичні матеріали, що змінюються в часі.

Стаття має назву «Надшвидке, реконфігуроване повністю оптичне керування променем і просторова модуляція світла». Разом із Хейлом та Етватером Ліор Міхаелі також є автором статті. Він закінчив свої докторські дослідження в Каліфорнійському технологічному інституті і зараз є доцентом кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії в Тель-Авівському університеті.

Це дослідження було підтримано фінансуванням Управління наукових досліджень ВПС та його Ініціативи міждисциплінарних університетських досліджень Meta-Imaging, Швейцарського національного наукового фонду, Програми стипендій імені Фулбрайта та Фонду прориву. Інститут нанонаук Кавлі Каліфорнійського технологічного інституту надав інфраструктуру та підтримку для дослідження.