Зеркало, которое можно «выключить»

В перспективе этот метаматериал может быть использован для создания логических элементов фотонных компьютеров. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Напомним, что метаматериал — это композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой из макроскопических элементов, обладающих произвольными размерами и формой. Искусственная периодическая структура модифицирует диэлектрическую и магнитную проницаемость исходного материала. Метаматериалы обладают уникальными электрофизическими, радиофизическими и оптическими свойствами, которых нет у природных материалов.

Эти необычные свойства обусловлены резонансным взаимодействием электромагнитной волны, которая распространяется в гетерогенной среде, наполненной включениями, имеющими специальную форму. Эта форма обеспечивает резонансное возбуждение токов во включениях.

В отличие от обычных материалов строительными блоками метаматериалов являются не атомы и молекулы, а более крупные объекты, представляющие собой электромагнитные резонаторы, обычно в виде металлических полосок, спиралей, разорванных колец. Размеры резонаторов и расстояния между ними остаются много меньше длины волны излучения, поэтому массивы таких резонаторов воспринимаются излучением как сплошная электромагнитная среда с определенными величинами эффективной диэлектрической и магнитной проницаемости и, соответственно, коэффициента преломления. Изменяя форму, размеры, взаимное расположение резонаторов, можно направленно формировать свойства метаматериалов; более того, изменяя условия резонанса, включая или выключая резонаторы, можно динамично перестраивать свойства.

В частности, метаматериалы могут обладать одновременно отрицательными магнитной проницаемостью и электрической восприимчивостью, вследствие чего возникают электромагнитные волны, у которых фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления, и в результате возникает отрицательное лучепреломление на границе двух сред.

Элементы для оптического компьютера

Необычные свойства таких сред были предсказаны российским ученым Виктором Веселаго еще в 1966 году; он же предложил название «левые материалы» (в иностранной литературе — left-handed materials).

Исследователи разработали метаматериал, который под действием лазерных импульсов может на короткое время менять свой коэффициент отражения. Он состоял из трехслойных цилиндров, в которых основным слоем являлся GaAs.

Работа физиков основана на технике, которую кратко можно представить следующим образом: на исследуемый образец посылается лазерный луч, возбуждающий колебания атомов. Практически сразу за ним, в течение нескольких пикосекунд (10⁻¹² с) на образец посылается второй луч, называемый зондом, который отражается на детектор. Регулируя задержку между первым и вторым лучом, можно получить картину колебаний атомов в решетке или других эффектов, вызываемых облучением.

Исследователи облучали материал лазерным лучом. С помощью зондирующего луча, следующего за первым, они измеряли коэффициент отражения материала. Выяснилось, что лазерные импульсы с определенными длинами волн, попадающие на этот слой, вызывали магнитный дипольный резонанс в цилиндрах материала и передавали его электронам энергию, которая переводила их в зону проводимости. Из-за этого на несколько пикосекунд в материале резко увеличивался коэффициент отражения. Таким образом, исследователи получили материал, который за счет лазерных импульсов можно переключать из отражающего состояния в поглощающее.

Ученые считают, что их разработка может быть использована в создании логических элементов для оптических компьютеров будущего. Поскольку переключение происходит с очень высокой скоростью, устройства на основе разработанных переключателей смогут передавать и обрабатывать информацию со скоростью в сотни терабит в секунду.

В последние годы активно ведется разработка оптических вычислительных систем. К примеру, в конце 2015 года был представлен первый прототип оптоэлектронного процессора.