С помощью нового метаматериала можно оптически включать и выключать синтез фотонов определенной частоты.

В последнее время исследователи всего мира активно работают над устройствами фотоники – так называют аналог электроники, только вместо электронов тут используются фотоны.

(а) Структура метаматериала (сетка из золота и оксида магния на основе из кварцевого стекла), (b) Фотография метаматериала, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Схема экспериментальной установки. Красным показаны лучи лазеров, освещающих образец из метаматериала.

Благодаря отсутствию массы фотоны обладают малой инерционностью и высокими рабочими частотами, что позволяет значительно увеличить быстродействие подобных устройств. В случае успеха нас ждет настоящая революция в области передачи и обработки данных. Однако в отличие от электрона, фотоны не имеют заряда, из-за чего ими трудно управлять. А это, в свою очередь, тормозит разработку компактных фотонных транзисторов – устройств оптического переключения сигнала.

Суть полностью оптического переключения заключается в том, что один поток фотонов управляет другим потоком. Например, с помощью одного лазерного импульса можно изменять пропускание другого импульса через устройство. Примером неоптического переключения служит поворачивающееся зеркало, приводимое в движение микродвигателем или системой рычагов.

Одно из наиболее перспективных направлений в фотонике – исследования так называемых метаматериалов, искусственно созданных конструкций из нескольких компонентов, свойства которых зависят в большей степени не от физических свойств отдельных составляющих, а от образованной ими периодической структуры. 

Это позволяет, подбирая нужную структуру, создавать метаматериалы с уникальными свойствами, в том числе с такими, которых у природных материалов нет. Так, некоторые метаматериалы способны делать предметы невидимыми, другие обладают отрицательным коэффициентом преломления, а с помощью третьих можно сконструировать устройства, способные «видеть сквозь стену».

Физики МГУ и их коллеги из Йенского университета (Германия) создали метаматериал, на котором продемонстрировали эффект полного оптического переключения между потоками фотонов при генерации третьей оптической гармоники. Подробно о результатах можно узнать из статьи в Scientific Reports.

Генерацией третьей гармоники называется интересное оптическое явление, когда три фотона сливаются в один с утроенной энергией (частотой). Исследователи смогли включать и выключать третью гармонику, освещая метаматериал двумя лазерными импульсами  с разным временем задержки между ними. Таким образом, им удалось контролировать при помощи внешнего оптического импульса процесс «синтеза» фотонов, что очень важно для перспективных схем интегральной фотоники.

Структура нового метаматериала напоминает рыбацкую сеть, основные «нити» которой состоят из золота и оксида магния, а прямоугольные отверстия заполнены кварцевым стеклом. Ключевая его особенность – нелинейные свойства. 

Суть нелинейности в том, что излучение не просто проходит через материал, а изменяет его электромагнитные свойства, что, в свою очередь, изменяет свойства самого излучения - то есть происходит самовоздействие излучения через  материал. Это позволяет управлять распространение света в устройстве. В данном случае лазерное излучение двумя импульсами подобрано было так, чтобы в метаматериале случался магнитный резонанс, которым  управляли, изменяя задержку одного из импульсов.

Для решения подобной задачи физики и ранее предлагали различные искусственные среды: металлические и полупроводниковые наночастицы, микрорезонаторы, фотонные кристаллы. Но их структуры были линейными, и для переключения в них требовалось бы мощное лазерное излучение.

По словам авторов работы, их нелинейный метаматериал обладает более высокой чувствительностью к фемтосекундным лазерным импульсам по сравнению с линейными материалами, что дает преимущество в управлении потоками света с помощью таких импульсов. Высокая чувствительность нелинейных метаматериалов позволит в будущем использовать их в технологиях высокоскоростных коммуникаций.

По материалам МГУ им. Ломоносова