Международная команда ученых создала кремниевую метаповерхность, которая пропускает свет в узком диапазоне длин волн вне зависимости от поляризации источника. Разработка пригодится для создания оптических чипов для скрининговых устройств, определяющих антимикробную активность соединений, сенсоров аллергенов или уровня глюкозы по слюне, а также поляризационных фильтров в компьютерном зрении. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics.

_{Схематический вид разработанной метаповерхности и пример использования оптического скрининга слюны. Иллюстрация предоставлена Александрой Кутузовой}

Свет — это колебания электрического и магнитного полей, которые имеют направление в пространстве. В природе он деполяризован, то есть имеет случайное направление, и это было препятствием для совершенствования нанофотонных устройств, например, оптических датчиков, сенсоров и фильтров.

Обычно светом в подобных устройствах управляют за счет резонансных эффектов. Один из важнейших — электромагнитно-индуцированная прозрачность, при которой материал становится прозрачным для поляризованного света в определенном диапазоне частот. Это явление возникает благодаря взаимодействию двух резонансов с разной добротностью, когда они находятся в противофазе. Высокодобротный резонанс долго сохраняет энергию, имеет высокую селективность по частотам и характеризуется малой скоростью излучения, а низкодобротный — наоборот, быстро теряет энергию, которая рассеивается в окружающую среду, и работает с широким диапазоном частот.

При этом высокодобротный резонатор характеризуется узким окном прозрачности и, соответственно, необходимо увеличить добротность электромагнитно-индуцированной прозрачности. Сделать это можно за счет использования физики защищенных симметрией связанных состояний в континууме. В таком случае свет запирается в метаповерхности за счет ее уникальной геометрии.

Современные устройства с эффектом электромагнитно-индуцированной прозрачности из-за сложного дизайна распознают только одно из перпендикулярных направлений линейно поляризованного света, а значит пропускают лишь часть энергии. Это снижает эффективность работы приборов вдвое. 

Ученые Нового физтеха ИТМО и Чжэцзянского университета предложили и проверили в ходе эксперимента новый дизайн высокодобротной кремниевой метаповерхности на основе двух связанных состояний в континууме — высокодобротных резонансов, перпендикулярных друг другу в линейных поляризациях. Благодаря им метаповерхность пропускает свет вне зависимости от поляризации источника в узком диапазоне длин волн — 60 нанометров. Но, как отмечают ученые ИТМО, за счет изменения геометрии метаповерхности можно сдвигать окно прозрачности на десятки нанометров.

«Мы первыми смогли создать метаповерхность, которая поддерживает эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности и при этом не зависит от поляризации света. Мы увеличиваем добротность эффекта за счет использования двух связанных состояний в континууме и подбираем форму и размеры элементов метаповерхности так, чтобы получить окна электромагнитно-индуцированной прозрачности сразу в двух поляризациях. Затем мы оптимизируем систему и совмещаем два окна прозрачности в обеих поляризациях на одной частоте и получаем нечувствительную к линейной поляризации структуру, обеспечив устойчивость эффекта при различных геометрических параметрах. Кроме того, мы провели экспериментальные испытания предложенной структуры и подтвердили работоспособность нашего подхода», — объяснила первый автор исследования, аспирант Нового физтеха ИТМО Александра Кутузова.

Нечувствительный к поляризации оптический элемент потенциально можно использовать для разработки оптических чипов для скрининговых устройств, определяющих активность антимикробных соединений против различных бактерий. Благодаря отсутствию чувствительности медицинские исследования можно проводить с разными оптическими источниками, например, светодиодами и лазерами. Также разработка позволит повысить чувствительность оптических сенсоров, которые смогут обнаруживать малые концентрации аллергенов в крови или измерять уровень глюкозы не по крови, а по слюне. Это упростит процесс тестирования и сделает его более доступным и удобным для пациентов. Помимо этого, новый дизайн метаструктуры подойдет в качестве поляризационных фильтров для улучшения качества изображений компьютерного зрения.

«В этой работе мы изучали линейную поляризацию света, при которой метаповерхность становилась прозрачной. Дальше мы планируем перейти к циркулярной поляризации, где направление поля изменяется не по линии, а по кругу. Мы хотим создать структуру с разной чувствительностью к разным циркулярным поляризациям: например, в одной поляризации метаповерхность отражает свет на определенной частоте, а в другой — пропускает. Новую разработку можно будет использовать для оптического детектирования органических хиральных молекул, которые совпадают в зеркальном отражении. При этом одна из таких молекул, закрученная влево, может быть лекарством, а другая, закрученная вправо, — ядом. Два вида хиральных молекул по-разному взаимодействуют с циркулярными поляризациями», — рассказал руководитель исследования, профессор, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Рыбин.

Исследование поддержано грантом РНФ (№24-72-10038), государственным фондом естественных наук Китая (U2341225 и 62375242) и научно-технической программой провинции Сычуань (2025YFHZ0297).