Ученые Университета ИТМО в рамках проекта Российского научного фонда (РНФ) совместно с коллегами из Китая, Австралии, США и Франции экспериментально показали, что диэлектрические кремниевые метаповерхности способны за маленький промежуток времени менять свои оптические свойства под действием коротких импульсов света. Открытый эффект дает новые возможности для развития вычислительных устройств.

Иллюстрация генерации третьей гармоники: при прохождении через материал три фотона суммируются и превращаются в один. Источник: статья в Nano Letters / pubs.acs.org

Свет вместо тока

Многие перспективные современные научные работы направлены на то, чтобы найти способ увеличить скорость и эффективность вычислительных устройств и элементов памяти. Исследователи в области оптики и нанофотоники предлагают для этого использовать в качестве носителя информации фотоны, а не электроны.

Работа электронных схем, в том числе вычислительных устройств и ячеек памяти, в большинстве случаев основана на нелинейных эффектах. Так, усиление сигнала — например тока — приводит к изменениям свойств или структуры материала носителя. В случае электронов это легко осуществить из-за характера их взаимодействия: увеличение концентрации частиц ведет к заметному изменению характеристик устройства. Фотоны же друг с другом не взаимодействуют. Однако ученые показали, что «уплотненный» световой пучок при кратковременном контакте способен воздействовать на материал аналогично переменному току.

Быстрее пикосекунды

Исследователи облучили экспериментальные кремниевые метаструктуры короткими (10 в -13 степени  секунды) импульсами света, что привело к смене оптических свойств материала. Кремний — полупроводник, то есть под действием фотонов он генерирует частицы, несущие электрический заряд. Это приводит к изменению показателя преломления — способности менять скорость света при переходе из одной среды в другую. Все наблюдаемые эффекты происходят в масштабах длительности светового импульса.

«Структура, которую для наших исследований сделали ученые из Китая, представляет собой массив из пар кремниевых “кирпичиков”, расположенных на стеклянной подложке. В каждой паре ширина двух "кирпичиков" чуть отличается, и этот параметр асимметрии позволяет контролировать добротность оптического резонанса структуры (чем она больше, тем меньше потерь энергии — прим. автора) — а значит, и усиление электромагнитного поля», — комментирует Иван Синев, соавтор статьи, старший научный сотрудник физического факультета ИТМО.

Изменив материал, изменил самого себя

Диэлектрические метаповерхности — это структурированные пленки из материала с высоким показателем преломления. Их используют для локализации света (концентрация волны в ограниченном пространстве неоднородной среды) и управления его характеристиками. Особый интерес представляют наблюдаемые в метаповерхностях связанные состояния в континууме. Их особенность в том, что даже при малой интенсивности излучения фотоны легко «захватываются» материалом — электромагнитное поле резко и многократно возрастает. Однако такое явление можно наблюдать только в очень узком диапазоне длин волн.

Ученые в своей статье проиллюстрировали описанные эффекты с помощью сигнала генерации третьей гармоники — процесса, в котором три фотона с одинаковой энергией при взаимодействии с материалом превращаются в один новый фотон с энергией, равной сумме изначальных. Таким образом исследователи определили, что в используемой ими структуре провоцируемые импульсом света изменения материала влияют на взаимодействие этого же импульса с веществом.

«Главный эффект происходит на основной гармонике — там за счет самовоздействия лазерного импульса и сдвига резонанса резко изменяется пропускание структуры (мера уменьшения амплитуды волны после ее прохождения через материал — прим. автора) — а это уже можно использовать для модуляции оптического сигнала. То, что такая модуляция (изменение параметров светового пучка — прим. автора) происходит быстрее длительности самого импульса, открывает возможности для создания оптических устройств обработки информации, работающих на огромных скоростях», ― отмечает Кирилл Кошелев, соавтор статьи, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО.

Евгений Шилинг

Журналист