За допомогою нового метаматеріалу можна оптично вмикати і вимикати синтез фотонів певної частоти.
Останнім часом дослідники всього світу активно працюють над пристроями фотоніки - так називають аналог електроніки, тільки замість електронів тут використовуються фотони.
Завдяки відсутності маси фотони мають малу інерційність і високі робочі частоти, що дозволяє значно збільшити швидкодію подібних пристроїв. У разі успіху нас чекає справжня революція в області передачі та обробки даних. Однак на відміну від електрону, фотони не мають заряду, через що ними важко керувати. А це, в свою чергу, гальмує розробку компактних фотонних транзисторів - пристроїв оптичного перемикання сигналу.
Суть повністю оптичного перемикання полягає в тому, що один потік фотонів управляє іншим потоком. Наприклад, за допомогою одного лазерного імпульсу можна змінювати пропуск іншого імпульсу через пристрій. Прикладом неоптичного перемикання служить дзеркало, що повертається, яке приводиться в рух мікродвигуном або системою важелів.
Один з найбільш перспективних напрямків у фотоніці - дослідження так званих метаматеріалів, штучно створених конструкцій з декількох компонентів, властивості яких залежать більшою мірою не від фізичних властивостей окремих складових, а від утвореної ними періодичної структури.
Це дозволяє, підбираючи потрібну структуру, створювати метаматеріали з унікальними властивостями, в тому числі з такими, яких у природних матеріалів немає. Так, деякі метаматеріали здатні робити предмети невидимими, інші мають негативний коефіцієнт заломлення, а за допомогою третіх можна сконструювати пристрої, здатні «бачити крізь стіну».
Фізики МДУ та їхні колеги з Єнського університету (Німеччина) створили метаматеріал, на якому продемонстрували ефект повного оптичного перемикання між потоками фотонів при генерації третьої оптичної гармоніки. Детально про результати можна дізнатися зі статті в Scientific Reports.
Генерацією третьої гармоніки називається цікаве оптичне явище, коли три фотони зливаються в один з потроєною енергією (частотою). Дослідники змогли вмикати і вимикати третю гармоніку, освітлюючи метаматеріал двома лазерними імпульсами з різним часом затримки між ними. Таким чином, їм вдалося контролювати за допомогою зовнішнього оптичного імпульсу процес «синтезу» фотонів, що дуже важливо для перспективних схем інтегральної фотоніки.
Структура нового метаматеріалу нагадує рибальську мережу, основні «нитки» якої складаються з золота і оксиду магнію, а прямокутні отвори заповнені кварцовим склом. Ключова його особливість - нелінійні властивості.
Суть нелінійності в тому, що випромінювання не просто проходить через матеріал, а змінює його електромагнітні властивості, що, в свою чергу, змінює властивості самого випромінювання - тобто відбувається самовіздіяння випромінювання через матеріал. Це дозволяє керувати поширенням світла в пристрої. У даному випадку лазерне випромінювання двома імпульсами підібрано було так, щоб в метаматеріалі траплявся магнітний резонанс, яким керували, змінюючи затримку одного з імпульсів.
Для вирішення подібного завдання фізики і раніше пропонували різні штучні середовища: металеві та напівпровідникові наночастинки, мікрорезонатори, фотонні кристали. Але їх структури були лінійними, і для перемикання в них було потрібно потужне лазерне випромінювання.
За словами авторів роботи, їх нелінійний метаматеріал володіє більш високою чутливістю до фемтосекундних лазерних імпульсів порівняно з лінійними матеріалами, що дає перевагу в управлінні потоками світла за допомогою таких імпульсів. Висока чутливість нелінійних метаматеріалів дозволить у майбутньому використовувати їх у технологіях високошвидкісних комунікацій.
За матеріалами МДУ ім. Ломоносова