Кремниевая наноструктура, активируемая лазерными импульсами, изменяет направление и форму светового пучка с рекордной скоростью — это сулит полные оптические вычисления
Наука и космос013:42
Международная команда физиков из Калифорнийского университета в Беркли и Тель-Авивского университета разработала метаповерхность, которая изменяет направление и форму лазерного луча за 74 фемтосекунды (74×10-15 с). В устройстве отсутствуют зеркала, линзы или механические компоненты — управление осуществляется посредством второго светового импульса, который изменяет оптические характеристики материала. Эксперимент, описанный в Nature Nanotechnology, продемонстрировал отклонение луча до ±13 градусов, а время переключения оказалось ограничено только длительностью управляющего импульса — что предполагает возможность ещё большей скорости.
Ключ к рекорду заключается в оптическом эффекте Керра, при котором показатель преломления вещества меняется под воздействием интенсивного света. Этот эффект сам по себе достаточно слаб, но обладает субфемтосекундным откликом: электронная поляризация материала реагирует на поле накачки практически мгновенно, в отличие от медленных процессов переноса носителей заряда, характерных для полупроводниковых модуляторов.
Чтобы увеличить керровский отклик до практически применимого уровня, учёные спроектировали метаповерхность с высокодобротными резонансами, где энергия почти не теряется. Её элементарные ячейки — кремниевые структуры меньшего размера, чем длина волны — функционируют как оптические резонаторы, многократно увеличивая взаимодействие света с веществом. Пространственно структурированный импульс накачки локально изменяет показатель преломления в каждой ячейке, и пробный луч, проходя через эту неоднородность, отклоняется или изменяет форму волнового фронта.
«Основная идея заключалась в создании метаповерхности, чей оптический отклик не фиксирован навсегда при производстве, — объяснил ведущий автор Клаудио Хейл. — Меняя рисунок подсветки, мы перенастраиваем, как устройство направляет и формирует свет, и делаем это на ультракоротком временном масштабе». Соавтор Лиор Михаэли добавил, что изначально эффект был настолько мал, что пришлось специально усиливать его конструкцией метаповерхности, чтобы не только зарегистрировать, но и использовать для управления лучом.
Помимо основного достижения — сверхбыстрого отклонения с программируемым углом — в эксперименте наблюдались самодифракция и самомодуляция пучка накачки, а также линейная конверсия частоты и произвольная двумерная модуляция пробного света. Эти эффекты стали возможны благодаря тому, что на фемтосекундном масштабе керровский отклик не загрязняется паразитным двухфотонным поглощением и нагревом, которые проявляются позже и дают лишь постоянный фоновый вклад.
Для систем связи принципиально важно, что столь быстрое управление светом в будущем позволит обрабатывать оптические сигналы напрямую, без промежуточного преобразования в электрические. Сегодня волоконно-оптические линии передают данные фотонами, но на узлах маршрутизации и в процессорах свет переводят в ток — операция, отнимающая время и энергию. Метаповерхность, способная перенаправлять и переформировывать луч за десятки фемтосекунд, задаёт ориентир скорости, при котором только оптическая логика и коммутация становятся реальной альтернативой электронной.
Тем не менее, авторы подчеркивают: работа пока что носит фундаментальный характер, и до практических устройств ещё далеко, однако сам факт, что фемтосекундное управление светом без движущихся частей достигнуто в компактной плоской структуре, открывает возможности для поиска архитектур полностью оптических вычислений и квантовых интерфейсов.
Darth SaharaИсточники:Nature NanotechnologyНаука и космос0Оптические вычисленияФотоникаМетаматериалыСверхбыстрая оптика13:42
Источник