Международная команда физиков создала первый в мире полностью оптический фотонный временной кристалл — материал, способный многократно и очень быстро менять свои оптические свойства во времени. Ученые смогли управлять поведением терагерцового излучения (применяется в том числе в медицине и системах безопасности) с прежде недостижимой скоростью. Результаты опубликованы в журнале Nature. Эксперимент стал возможен благодаря терагерцовому источнику TELBE, работающему на базе ускорителя ELBE в HZDR.
Управление поведением света внутри материалов уже лежит в основе многих привычных технологий — оптоволоконной связи, лазеров и оптических сенсоров. Однако терагерцовый диапазон электромагнитного спектра, расположенный между областями электроники и фотоники, до сих пор остается слабо освоенным, хотя терагерцовые частоты примерно в 1 тыс. раз выше тех, что используются в электронных компонентах. Как отметил доцент, руководитель исследования Янис Лаплас, терагерцовый диапазон представляет собой границу между электронными и фотонными технологиями и открывает большие возможности для науки и общества, но пока значительно отстает в технологическом развитии от своих электрических и фотонных аналогов. Однако создание фотонных кристаллов может помочь сократить этот разрыв.
Обычные фотонные кристаллы — это наноструктурированные материалы с повторяющимся оптическим узором, определяющим движение фотонов сквозь них: за счет разного расположения материалов с разными формами и показателями преломления ученые могут блокировать, направлять или усиливать отдельные длины волн света. В более ранних экспериментах команда показала, что температура и магнитные поля способны менять способность таких кристаллов улавливать свет, однако после того как эти условия задавались, оптические свойства материала оставались неизменными во времени.
Новое устройство пошло дальше: его оптические свойства — отражательную способность и резонансную частоту — можно динамически менять на пикосекундных масштабах, то есть на временах, близких к периоду собственных колебаний самого света. Вместо узора, распределенного в пространстве, фотонный временной кристалл содержит повторяющийся узор во времени.
Расширяя фотонные кристаллы из пространства во время, мы открываем новое измерение для управления светом — и новый путь к усилению и генерации излучения. Это может стать поворотным моментом для оптических технологий терагерцового и других диапазонов.
Для создания устройства исследователи при поддержке лаборатории Альбера Ферта компании Thales и лаборатории физики интерфейсов Политехнической школы построили так называемый плазмонный метаматериал. Он состоит из золотых зубчатых микроструктур, расположенных над изолирующим слоем и полупроводником из смеси индия и сурьмы. Золотые структуры образуют миниатюрные полости, удерживающие свет между слоями золота и полупроводника. При возбуждении поверхности полупроводника возникают поверхностные плазмоны — коллективные волны электронов, способные захватывать свет и поддерживать его колебания; именно это позволило ученым управлять захваченными фотонами с исключительной скоростью.
Команда воздействовала на устройство терагерцовыми лазерными импульсами от источника TELBE, который генерирует мощное излучение с настраиваемой частотой. Это позволило сильно и быстро изменять оптические свойства материала, прежде всего его отражательную способность. Одновременное достижение силы и скорости изменения было главным техническим препятствием: по силе эффект был сопоставим с тем, как если бы объект начал излучать совершенно другой цвет, а сама перестройка происходила на масштабе пикосекунд — триллионных долей секунды.
Уникальная способность TELBE генерировать мощные, фазово-стабильные терагерцовые импульсы была критически важна. Без этой инфраструктуры добиться когерентной сверхбыстрой модуляции, необходимой для режима фотонного временного кристалла, было бы невозможно.
Теоретическую модель, объясняющую поведение фотонов в устройстве, разработал научный сотрудник Коллеж де Франс Марко Широ вместе с коллегами. Расчеты показали, что изменение материала во времени вдвое снижает диссипацию фотонов — то есть долю фотонов, которые не отражаются, а проходят сквозь поверхность метаматериала. «Теория не только воспроизводит эксперимент, но и дает основу для будущих открытий в этой системе», — отметил Широ.
Теперь исследователи намерены еще сильнее снизить диссипацию фотонов и увеличить их число внутри кристалла. Если удастся добиться достаточно сильного усиления, устройство может лечь в основу новых, легко настраиваемых лазеров. По мнению авторов работы, фотонные временные кристаллы способны изменить использование света в технологиях, особенно в терагерцовом диапазоне, — их способность перестраивать свет за предельно короткое время может пригодиться для сверхбыстрых лазеров в медицинской визуализации и связи, а также позволить почти мгновенно и по запросу настраивать «цвет» и интенсивность света.
Ранее Наука Mail писала, что новая нейросеть поможет обеспечить сотовую связь в горах и пустынях.