Исследователи Калифорнийского технологического института создали устройство, способное менять направление одного светового луча с помощью другого всего за 74 фемтосекунды — 74 квадриллионные доли секунды. За это время свет успевает пройти примерно расстояние, равное ширине человеческого волоса. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
В основе разработки лежит метаповерхность — сверхтонкий слой с наноструктурированными элементами, которые усиливают взаимодействие света с веществом. «Управлять светом с помощью света очень сложно, поскольку свет обычно взаимодействует с веществом крайне слабо. Используя оптические метаповерхности (сверхтонкие тщательно наноструктурированные слои), мы можем усилить это взаимодействие и добиться гораздо большей эффективности», — сказал Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения Калифорнийского технологического института.
Обычные системы управления светом часто используют изменение электронных свойств материала. Такой принцип применяется, например, в жидкокристаллических панелях проекторов и оптических микросхемах телекоммуникационного оборудования. Электронам требуется время, чтобы перейти в состояние с более высокой энергией, а затем вернуться обратно, поэтому скорость модуляции обычно ограничивается наносекундами или пикосекундами.
Команда Этуотера отказалась от электрического сигнала. Мощный управляющий луч, который исследователи называют накачкой, формирует заданный световой рисунок и на короткое время меняет оптические свойства материала. После этого более слабый сигнальный луч проходит через метаповерхность и отклоняется в соответствии с созданным рисунком.
Механизм основан на оптическом эффекте Керра: интенсивный световой импульс вызывает кратковременное изменение показателя преломления вещества, то есть способности замедлять и отклонять свет. Электроны при этом меняют движение внутри своих орбиталей, не переходя в отдельные долгоживущие возбуждённые состояния, поэтому эффект возникает и исчезает почти одновременно со световым импульсом. Чтобы усилить слабое воздействие, учёные изготовили метаповерхность из тонкой плёнки аморфного кремния с наноразмерными столбиками, расположенными с точно рассчитанными промежутками.
Такая структура заставляет свет дольше циркулировать внутри материала, усиливая изменение показателя преломления. В результате исследователям удалось отклонять сигнальный луч на угол до 13 градусов за 74 фемтосекунды. Как сообщает ScienceDaily, нынешняя скорость определяется длительностью лазерного импульса, а не фундаментальными свойствами метаматериала, поэтому в будущем управление светом может стать ещё быстрее. В работе участвовали Клаудио Хайл, Гарри Этуотер и Лиор Михаэли; исследование поддержали несколько научных фондов, а инфраструктуру предоставил Институт нанонауки Кавли при Калифорнийском технологическом институте.