Свет способен переносить огромные объёмы информации с исключительной скоростью, поэтому фотонные технологии рассматриваются для создания более быстрых систем связи, мощных компьютеров и высокочувствительных сенсоров. Для работы таких систем учёным необходимы точные методы управления направлением света и его сверхбыстрого изменения. Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) создали устройство, которое с помощью одного светового пучка перенаправляет другой всего за 74 фемтосекунды — примерно столько времени свету требуется, чтобы преодолеть ширину человеческого волоса.
«Управлять светом с помощью света очень сложно, поскольку свет обычно крайне слабо взаимодействует с веществом. Используя оптические метаповерхности (сверхтонкие наноструктурированные листы), мы можем усилить взаимодействие и добиться этого с гораздо более высокой эффективностью», — приводит слова Гарри Этуотера, профессора прикладной физики и материаловедения имени Говарда Хьюза и заведующего кафедрой имени Отиса Бута в инженерно-прикладном научном подразделении Caltech, сайт ScienceDaily. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology. Ведущий автор работы Клаудио Хайль выполнил её, будучи постдокторантом в лаборатории Этуотера в Caltech, а сейчас он занимает должность ассистента профессора машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли.
Многие существующие технологии управления светом основаны на изменении электронных свойств материала — например, жидкокристаллические панели в проекторах или оптические чипы в телекоммуникационных системах. В таких устройствах электроны переходят на более высокие энергетические уровни, а затем возвращаются на нижние, высвобождая избыточную энергию. Этот процесс релаксации занимает время и создаёт узкое место, обычно ограничивающее модуляцию света наносекундными или пикосекундными масштабами. Команда Этуотера пошла другим путём, отказавшись от электрического сигнала: вместо него исследователи использовали мощный световой пучок (накачку) со специально подобранным рисунком, который временно менял оптические свойства материала. Второй, более слабый пучок (зонд) проходил через этот материал, и его направление менялось в соответствии с рисунком, созданным накачкой.
Система работает на основе оптического эффекта Керра. Когда интенсивный световой пучок проходит через материал, он может на короткое время вызвать очень небольшое изменение показателя преломления — величины, описывающей, насколько свет замедляется и отклоняется при распространении в среде. Эффект возникает из-за изменений в движении электронов внутри их орбиталей — областей вокруг атомного ядра, где вероятность нахождения электронов высока. При этом электроны не переходят в отдельные долгоживущие возбуждённые состояния, поэтому изменение появляется и исчезает почти так же быстро, как сам световой импульс, и не нужно ждать возврата возбуждённых электронов на нижние уровни. Однако сам по себе эффект Керра слишком слаб, чтобы отклонить световой пучок на практически значимую величину.
Чтобы усилить отклик, исследователи изготовили метаповерхность из тонкой плёнки аморфного кремния, покрытой наноразмерными столбиками, каждый из которых меньше длины волны света накачки. Подбирая размер и расстояние между столбиками, команда заставила свет задерживаться внутри метаповерхности чуть дольше и циркулировать в ней, а не проходить напрямую. Это дополнительное время взаимодействия усилило небольшое изменение показателя преломления в кремнии, и результирующий эффект стал достаточно сильным, чтобы перенаправлять зондирующий пучок. С помощью такой конструкции исследователи отклоняли свет на углы до 13 градусов всего за 74 фемтосекунды, а скорость модуляции ограничивалась длительностью импульса накачки, которая также составляла 74 фемтосекунды.
По словам исследователей, текущий предел скорости связан с лазерными импульсами, используемыми для работы системы, а не с фундаментальными свойствами самого метаматериала. Это оставляет возможность сделать процесс ещё быстрее. При дальнейшей разработке технология может выйти на временные масштабы, relevant (значимые) для таких новых фотонных концепций, как временные кристаллы и синтетические оптические материалы с изменяющимися во времени свойствами. Статья опубликована под названием «Ultrafast, reconfigurable all-optical beam steering and spatial light modulation» («Сверхбыстрое перестраиваемое полностью оптическое управление пучком и пространственная модуляция света»). Помимо Хайля и Этуотера, автором работы является Лиор Михаэли, выполнивший исследование в качестве постдокторанта в Caltech и ныне занимающий должность ассистента профессора электротехники и вычислительной техники в Тель-Авивском университете. Работа поддержана финансированием Управления научных исследований ВВС США и его междисциплинарной университетской исследовательской инициативы Meta-Imaging, Швейцарского национального научного фонда, программы стипендий Фулбрайта и фонда Breakthrough Foundation. Инфраструктуру и поддержку предоставил Институт нанонауки имени Кавли при Caltech.