Коллектив авторов из ИТМО, Национального Университета Колумбии и Университета Сиены разработал уникальную по своей структуре и свойствам метаповерхность. Она позволяет генерировать поверхностные волны с особыми, ранее не исследованными свойствами, передавать их из точки в точку и при этом сохранять их первоначальную поляризацию — а значит, и улучшить способность передавать информацию. Исследование опубликовано в престижном научном журнале Physical Review X.

Метаповерхность. Иллюстрация из статьи в журнале Physical Review X

Поверхностные волны — это локализованные волны, которые распространяются вдоль какой-либо поверхности, например, границы раздела двух сред или двумерной системы. Каждый сталкивался с поверхностными волнами на воде ― они выглядят как расходящиеся круги от брошенного камня.

В работе ученых ИТМО используются двумерные структуры с уникальной организацией для сосредоточения энергии электромагнитных поверхностных волн вдоль линии в желаемом направлении. Это позволяет добиться пространственного управления волнами на плоскости.

Явление поверхностных волн при этом изучено давно — это перспективный способ передачи локализованного света в плоскости. Однако у этого способа есть ряд проблем, не позволяющих внедрить это явление в реальные устройства оптических и оптоэлектронных систем обработки и передачи данных.

Первая проблема заключается в том, что волны расходятся кругами, в результате чего энергия волны падает с ростом расстояния до источника. Решение проблемы заключается в передаче оптического сигнала из точки в точку и при использовании режим каналирования, при котором волна распространяется узким пучком вдоль заданного направления.

Это явление было исследовано ранее, но в новой работе ученым удалось достичь нерасходящегося и ультрасфокусированного режима распространения. Более того, ученые впервые продемонстрировали переключение между разными направлениями распространения в режиме каналирования.

Другая проблема, которую ученым не удавалось решить ранее — это обеспечить возможность контролировать поляризацию передаваемых в плоскости волн.

«Поляризация описывает колебание электромагнитной волны в пространстве, а поляризатор умеет отсекать ненужные плоскости колебания света. Один из повседневных примеров поляризатора — солнцезащитные очки. При этом поляризация света — это фактически источник информации. Поляризация может быть линейной (горизонтальной, вертикальной, повернутой на угол), круговой (правой, левой), эллиптической и так далее. Каждое состояние поляризации — это своего рода бит информации. Соответственно, умея управлять поляризацией, можно “зашивать” информацию в свет», — объясняет Олег Ермаков, один из авторов работы, сотрудник Нового физтеха ИТМО.

Секрет успеха заключается в использовании особого типа двумерной структуры — резонансной самодополняющей метаповерхности, которая состоит из двух периодически повторяющихся взаимно инвертированных металлических узоров (элементов): дипольной антенны и щели в металлическом слое той же формы.

В основе работы этой метаповерхности лежит принцип дуальности Бабине — один из фундаментальных законов оптики. Заключается он в следующем: если взять металлический экран и вырезать в нем отверстие, а затем посветить на него, то можно увидеть дифракционную картину. При этом, если взять дополняющую (инвертированную) структуру, то есть кружок металла с таким же диаметром, что и отверстие, и посветить только на него, то дифракционная картина будет очень похожей.Структура ячейки метаповерхности. Иллюстрация из статьи в журнале Physical Review X

Таким образом, два дифракционных экрана как будто взаимодополняют друг друга. Именно эта уникальная симметрия и позволяет контролировать поляризацию поверхностной волны. А анизотропные свойства позволяют добиться сфокусированного режима распространения.

При этом важно, что структура является практически плоской. Миниатюаризация и уплощение — это важный тренд в современных оптических устройствах и в принципе в современной технике. Поэтому то, что ученым удалось передавать сигнал заданной поляризации в заданном направлении в плоскости, особенно важно для таких применений, как антенны и усилители, оптические схемы и передатчики, а также экраны и сенсоры.

«Удивительно, но мы реализовали достаточно простую структуру, используя фундаментальный принцип, описанный во многих учебниках, и сразу решили множество задач, над которыми ученые бились годами. При этом было абсолютно не очевидно, что такая структура, построенная на принципе Бабине, покажет настолько полезные свойства для поверхностных волн. Более того, такие структуры уже изучались, но их исследовали в дальнем поле: светили плоской волной и смотрели, как изменится поляризация при прохождении или отражении от этой структуры. А мы же поставили совсем другую задачу: что будет с локализованным светом, распространяющимся вдоль этой структуры. Этого никто до нас не смотрел, ― рассказывает Олег Ермаков. ― Подобные работы напоминают мне, что значимые результаты не всегда скрываются за сложными теориями, прогрессивными технологиями и накопленным опытом, но иногда просто лежат у всех на виду и по силе хорошему студенту"Олег Ермаков. Фото из личного архива

Во всем этом есть только одно «но»: полученная структура работает только в микроволновом, терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазонах. Метаповерхность напрямую не переносится в оптический диапазон — ее можно уменьшить в сотню и тысячу раз, но не в миллион.

Это объясняется тем, что на наномасштабах меняются сами свойства металла. При этом ученые уверены: технологию все же можно реализовать в оптическом диапазоне с помощью диэлектрических структур, и продолжают работу в этом направлении.

Всего на разработку ушло полтора года — проект начался в конце 2018 года научной группой под руководством Станислава Глыбовского, которая занимается исследованием различных метаповерхностей в микроволновом диапазоне. Еще почти полтора года ушло на ожидание публикации статьи в Physical Review X.

Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».

Екатерина Шевырёва

Журналист