Современным оптическим приборам нужно постоянно менять характеристики взаимодействия со светом. Для этого служат различные механические приспособления, которые двигают линзы, поворачивают отражающие поверхности, перемещают лазерные излучатели. Международная группа учёных, куда вошли сотрудники Университета ИТМО и Эксетерского университета (The University of Exeter), предложила новый метаматериал, способный менять оптические характеристики самостоятельно, без механических воздействий. Это может значительно повысить надёжность и удешевить производство сложных оптических устройств.
Результаты работы исследователей попали на обложку журнала Optica.
Бурное развитие науки в последние десятилетия дало человечеству очень широкий выбор новых материалов. Теперь создателям сложных механизмов всё меньше надо подлаживаться под те ограничения, которые накладывают на их фантазию материалы традиционные. Огромные перспективы открывают в этом смысле так называемые метаматериалы, над созданием которых работают и в Университете ИТМО. За счёт сложного строения составных элементов функциональность таких структур в меньшей степени ограничена свойствами материалов, из которых они сделаны. Метаматериалы могут быть объёмными, а могут быть и плоскими — в таком случае их называют метаповерхностями.
«Метаповерхности позволяют добиться очень многих интересных эффектов в управлении светом, — рассказывает старший научный сотрудник Нового Физтеха Университета ИТМО Иван Синев. — Однако у них есть проблема — все их свойства закладываются в момент производства и дальше остаются неизменными. Для устройств практического применения хотелось бы этими свойствами управлять не только в момент создания, но и по мере использования».
В поисках материала для такой адаптивной оптики исследователи из Университета ИТМО, имеющие большой опыт в работе с кремниевыми метаповерхностями, объединились с коллегами из английского Университета Эксетера, которые давно исследуют материалы с фазовой памятью. К таким веществам относятся, к примеру, соединения германия, сурьмы и теллура (GeSbTe), которые
используются, например, в DVD-дисках.
«Мы сделали расчеты того, как должен выглядеть новый композитный материал на основе кремния, — рассказывает инженер Нового Физтеха Павел Трофимов, — вставка из GeSbTe у нас представлена в виде тонкого слоя между двумя слоями кремния. Получается такой бутерброд — сначала на исходную подложку напыляется кремний, затем слой материала с фазовой памятью, затем снова кремний».
Затем при помощи электронной литографии учёные получили массивы микроскопических гибридных дисков — метаповерхность, с которой уже и работали в лаборатории, проверяя её свойства для управления светом. Как и ожидалось, совмещение двух материалов дало очень важный эффект — уровень прозрачности получившейся поверхности можно было менять по ходу эксперимента. Дело в том, что у кремниевого диска есть в ближней инфракрасной зоне два оптических резонанса, которые позволяют особенно сильно отражать направленный на поверхность ИК-луч. Слой GeSbTe позволил при определённых условиях «выключать» один из этих резонансов, делая диск практически полностью прозрачным для света в ближнем инфракрасном спектре.
Материалы с функциональной памятью имеют два состояния — кристаллическое, с жёсткой упорядоченной структурой атомов, и аморфное. Если находящийся в центре метаматериала слой GeSbTe будет пребывать в кристаллическом состоянии, то второй резонанс пропадёт, если же в аморфном, то диск по-прежнему будет отражать ИК-лучи.
«Чтобы переключать метаповерхность между двумя состояниями мы использовали импульсный лазер с достаточно высокой энергией, — рассказывает Трофимов, — короткий лазерный импульс нагревает слой GeSbTe до температуры плавления, после чего тот быстро остывает и аморфизуется. Если же на диск воздействовать серией коротких импульсов, то он остывает медленнее, застывая в кристаллической структуре».
Свойства новой метаповерхности могут пригодиться для самых разных применений. Прежде всего, это создание лидаров, устройств, сканирующих пространство с помощью излучения и приёма отражённых объектами ИК-импульсов. Также потенциально принцип их создания можно взять за основу при производстве специальных сверхтонких линз для фотообъективов, к примеру, установленных в мобильных телефонах.
