Физики научились управлять светом за 74 фемтосекунды с помощью…

Физики научились управлять светом за 74 фемтосекунды с помощью метаповерхности

Международная группа физиков из Калифорнийского университета в Беркли и Тель-Авивского университета создала метаповерхность, которая перестраивает направление и форму лазерного луча за 74 фемтосекунды (74×10⁻¹⁵ с). В устройстве нет ни зеркал, ни линз, ни механических элементов. Управление происходит за счёт второго светового импульса, меняющего оптические свойства материала. Эксперимент показал отклонение луча до ±13 градусов, а время переключения ограничено лишь длительностью управляющего импульса — то есть может быть ещё короче. Это открытие может стать основой для нового поколения оптических систем.

Ключ к рекорду — оптический эффект Керра, при котором показатель преломления материала изменяется под действием интенсивного света. Эффект сам по себе слаб, но обладает субфемтосекундным откликом. Электронная поляризация вещества реагирует на поле накачки практически мгновенно. Это происходит быстрее, чем медленные процессы переноса носителей заряда, типичные для полупроводниковых модуляторов. Чтобы усилить керровский отклик до практически полезного уровня, учёные спроектировали метаповерхность с высокодобротными резонансами.

Её элементарные ячейки — кремниевые структуры размером меньше длины волны — работают как оптические резонаторы, многократно увеличивая взаимодействие света с веществом. Пространственно структурированный импульс накачки локально меняет показатель преломления в каждой ячейке. Пробный луч, проходя через эту неоднородность, отклоняется или меняет форму волнового фронта. Это позволяет управлять светом с беспрецедентной скоростью.

Помимо основного результата — сверхбыстрого отклонения с программируемым углом — в эксперименте наблюдались самодифракция и самомодуляция пучка накачки, а также линейная конверсия частоты и произвольная двумерная модуляция пробного света. Это означает, что метаповерхность может не только отклонять луч, но и менять его форму, распределение интенсивности и даже частоту. Открытие открывает путь к полностью оптической обработке сигналов, где управление происходит на скоростях, недоступных для электроники.

Это открытие может изменить оптическую обработку сигналов. Традиционные устройства основаны на механических или электрооптических компонентах, которые работают в сотни тысяч раз медленнее. Новая метаповерхность позволяет управлять светом практически с предельной скоростью, ограниченной только фундаментальными законами физики. Это может привести к появлению сверхбыстрых оптических переключателей, модуляторов и сенсоров нового поколения. Вопрос лишь в том, насколько технология будет готова к масштабированию и интеграции в реальные системы, но первые результаты выглядят очень обнадёживающе.

Читайте также: