Метаматериалы открывают новые перспективы для оптических микросхем

В 2013 году был создан один из видов метаматериала с нулевым индексом преломления, мгновенно заинтересовавший научное сообщество своими уникальными свойствами. Эрик Мазар - глава команды исследователей, занимающейся изучением метаматериалов в Гарвардском университете, объяснил, в чем заключается необычность поведения материала при его попадании под свет. Например, лучи света могут пройти сквозь него только в том случае, если угол падения света составляет ровно 90 градусов. Мазар по этому поводу говорит следующее:

“Свет запускает в материале реакцию, которая, соединившись с электромагнитным полем падения, распространяет его по всей структуре. Это похоже на то, как в фильмах во время движения транспорта может показаться, что колеса стоят на месте. Это происходит из-за различных показателей частоты вращения колес и частоты кадров самого фильма. Такая синхронность движения приводит к появлению света с бесконечной длиной волны и фазовой скоростью.”

Поскольку в любом метаматериале световая фаза протекает одинаково, создается впечатление, что синусоидальное поле приобретает бесконечную длину волны, и фаза мгновенно распространяется по всему материалу. В таких условиях свет можно направлять по недоступным ранее траекториям и на крошечные расстояния, имеющиеся в оптических микросхемах; свет может проходить даже по тончайшим каналам и преодолевать острые углы без потери энергии.

19 октября в онлайн-выпуске журнала Nature Photonics вышла статья о результате совместной работы Мазара и его команды с коллегами из Пекинского университета - это встроенный в микросхему метаматериал с нулевым показателем преломления.

Мазар прокомментировал факт сотрудничества с китайскими учеными тем, что встраивание метаматериала в микросхему невозможно без привлечения технологий нанопромышленности. Он и его коллеги разработали покрытый с обеих сторон золотой пленкой и установленный на кремниевой подложке слой метаматериала из кремниевых стержней, прикрепленных к полимерной матрице.

Такая разработка в будущем сможет сильно облегчить инженерам создание фотонных микросхем. Например, с ее помощью у них может, наконец, получиться объединить световые лучи в структуры, чей размер меньше дифракционного предела света в оптических чипах. В созданном командой концепте под названием “супер соединитель” свет перемещается через метаматериалы с нулевым индексом, что позволяет ему функционировать при таких маленьких размерах, а также следовать по любым траекториям. Янг Ли - член исследовательской команды Мазара, объяснил, что “это снизит громоздкость оптических соединений, а также нивелирует потери энергии при перемещении”.

“Даже если поместить метаматериал с нулевым индексом в зеркальный светопровод, мы все равно сможем достичь высокой светопропускаемости. Кроме того, растяжения, сжатия, сгибания или скручивания провода никак не повлияют на показатели. Такие результаты для микроволн и оптических явлений недостижимы использованием обычных светопроводов”,- добавил Ли.

Следующая задача команды - фазовое спряжение в нелинейной оптике, изучающей явления непропорциональности света и его интенсивности, поскольку обработка оптических сигналов предполагает взаимодействие двух отдельных световых лучей. А такое возможно только в нелинейных оптических процессах в наномасштабах и только в момент, когда импульс выходящих фотонов совпадает с импульсом входящих.

“С помощью материалов с нулевым индексом достичь этого стало совсем просто, поскольку вектор импульса света в материале с нулевым индексом и сам равен нулю. Все это в целом облегчает создание технологий, основанных на нелинейных оптических процессах”,- рассказал Мазар.

Разработка может оказаться очень полезной и для квантовых оптических компьютеров, поскольку светоизлучения в материале с нулевым индексом должны колебаться.