Физики научились управлять светом с помощью света
Исследователи из США разработали устройство, которое позволяет управлять направлением светового луча с рекордной скоростью — всего за 74 фемтосекунды.
Это время, за которое свет пролетает расстояние чуть больше толщины типичной бактерии. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Зачем нужно управлять светом
Свет способен передавать огромные объемы информации с экстремальной скоростью. Именно поэтому фотонные технологии считаются одним из самых перспективных направлений для создания более быстрых средств связи, мощных вычислительных систем и сверхчувствительных датчиков. Однако для практического применения инженерам нужно уметь быстро и точно контролировать направление световых лучей.
Как работает новое устройство
Обычно для управления светом используют электрические сигналы, которые меняют свойства материала. Этот процесс относительно медленный, потому что электронам требуется время, чтобы возбудиться до более высокого энергетического состояния и потом вернуться обратно.
Команда под руководством профессора Гарри Этуотера решила полностью отказаться от электричества. Вместо этого они применили один мощный лазерный луч (накачку), который мгновенно менял оптические свойства материала. Через этот материал пропускали второй, более слабый луч (зонд), который в результате менял свое направление.
«Управление светом с помощью света — очень сложная задача, поскольку свет обычно очень слабо взаимодействует с материей. Используя оптические метаповерхности (сверхтонкие, тщательно спроектированные наноструктурированные листы), мы можем увеличить силу взаимодействия, что делает это возможным с гораздо большей эффективностью», — говорит Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения.
Секрет в метаповерхности
Ученые создали специальную метаповерхность из аморфного кремния — тонкую пленку, покрытую упорядоченными наноразмерными столбиками. Размер и расстояние между этими столбиками подобрали так, чтобы свет «задерживался» внутри структуры и рециркулировал, значительно усиливая слабый оптический эффект Керра.
Эффект Керра заключается в том, что интенсивный свет на очень короткое время меняет показатель преломления материала — величину, которая показывает, насколько сильно свет замедляется и преломляется при прохождении через среду. В обычных условиях это изменение слишком мало для практического применения. Но благодаря метаповерхности эффект усиливается в разы.
Что удалось достичь
В эксперименте исследователи смогли отклонить световой луч на угол до 13 градусов всего за 74 фемтосекунды. 74 фемтосекунды — это одна квадриллионная доля секунды. Для понимания: за это время свет пролетает расстояние примерно в 0,022 миллиметра — толщину тонкого листа бумаги или диаметр нескольких человеческих кровяных клеток.
При этом скорость модуляции ограничена не свойствами самого материала, а длительностью лазерного импульса накачки.
По словам авторов, эта технология открывает путь к полностью оптическим системам, которые будут работать значительно быстрее традиционной электроники. В будущем такие устройства могут стать основой для новых типов процессоров, сверхбыстрых сетей связи и высокочувствительных датчиков.
Пока работа находится на стадии фундаментального исследования, но она демонстрирует, как умелое сочетание нанотехнологий и физики света помогает преодолевать ключевые ограничения современной электроники.