Международная группа физиков создала метаповерхность, которая перестраивает направление света за 74 фемтосекунды – в тысячи раз быстрее, чем современные оптические модуляторы. Управление происходит без движущихся частей.
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.
Как это работает
Ключ к рекорду — оптический эффект Керра. При нём 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.
Экспериментальные результаты
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. Эти эффекты стали возможны благодаря тому, что на масштабе фемтосекунд керровский отклик не загрязняется паразитным двухфотонным поглощением и нагревом, которые проявляются позже.
Перспективы применения
Для систем связи принципиально важно, что столь быстрое управление светом в перспективе 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, съедающая время и энергию. Метаповерхность, способная перенаправлять и переформировывать луч за десятки фемтосекунд, задаёт ориентир скорости, при котором только оптическая логика и коммутация становятся реалистичной альтернативой электронной.
Впрочем, авторы подчёркивают: работа пока фундаментальная, 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.
Значение для науки
Это достижение — важный шаг в области нанофотоники и метаматериалов. Оно демонстрирует, как с помощью искусственных структур можно управлять светом на предельно малых временах. В будущем такие метаповерхности могут стать основой для сверхбыстрых оптических переключателей, модуляторов и сенсоров. Исследование открывает путь к созданию нового поколения устройств, где свет управляет светом без участия электроники.
Об авторе
