Зеркало, которое можно «выключить»

Опубликованы результаты исследований, проводившихся группой ученых, объединившей представителей Физического факультета МГУ, Центра комплексных нанотехнологий и Йенского университета имени Фридриха Шиллера. Их усилиями создан новый метаматериал с необычными свойствами: он может становиться «зеркальным» под действием лазерного луча
Зеркало, которое можно «выключить»
Структура нового метаматериала
Иллюстрация: Nature Communications

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.

magnifier.png 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)

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.

Еще по теме:
01.04.2020
Российские геофизики и археологи обследовали новый курганный памятник в Новосибирской области. Специалисты Института неф...
31.03.2020
31 марта родился Сергей Ильюшин, выдающийся советский авиаконструктор
27.03.2020
Сто двадцать лет назад, 28 марта 1900 года, родилась баронесса Лили Пальмен, создатель советских танковых, авиационных и...
25.03.2020
Тихоокеанский остров Ниуэ признали первой страной, где ночная темнота звездного неба находится под официальной защитой
Наверх