«Супергерои» среди материалов для сверхбыстрой передачи информации

Международная группа ученых под руководством исследователей из МГУ имени М.В.Ломоносова впервые смогла при помощи нелинейных метаматериалов продемонстрировать эффект полностью оптического переключения между потоками фотонов, рожденных в процессе генерации третьей оптической гармоники. По словам Максима Щербакова, научного сотрудника лаборатории нанооптики метаматериалов физического факультета МГУ, проделанная ими работа позволит в будущем использовать метаматериалы для создания высокоскоростных коммуникационных технологий. Научная статья опубликована 23 июня в журнале Scientific Reports.

Метаматериалы: когда 1+1=3

Иногда в команде несколько человек могут достичь большего, чем была бы сумма их достижений по отдельности, словно, объединяясь, они приобретают новые полезные свойства. Это справедливо и для метаматериалов. И если в примере с людьми в команде, когда вместо простой суммы известных величин мы получаем что-то принципиально иное, ситуация объясняется разными психологическими эффектами, то в случае с метаматериалами причиной таких «сверхспособностей» как «невидимость» (правда, пока только в микроволновом диапазоне и двумерном пространстве), «видение сквозь стены», оптическое увеличение предметов и отрицательные показатели преломления является их искусственно созданная упорядоченная структура, чередующая слои вполне обыденных веществ. Вместе же они ведут себя как принципиально новый материал с уникальными электромагнитными свойствами, благодаря которым можно манипулировать фотонами (то есть светом) по-новому.

Метаматериалы, с которыми работали авторы статьи, имеют структуру, напоминающую рыбацкую сеть, основные «нити» которой состоят из золота и оксида магния, а прямоугольные отверстия заполнены кварцевым стеклом. Они относятся к классу нелинейных метаматериалов, необычные оптические свойства которых можно использовать, например, чтобы упростить обработку информации и создать новые устройства, работающие намного быстрее современных.

Повелители света

Фотоны, в отличие от электронов, перемещающихся по проводам электронных устройств, не имеют заряда и массы покоя, поэтому передача информации с их помощью может производиться намного быстрее. Существует проблема в создании фотонного транзистора, столь же компактного, как современный электронный транзистор.

Для этого предлагали использовать металлические и полупроводниковые наночастицы, микрорезонаторы, фотонные кристаллы и другие искусственно созданные среды. Недостаток этих сред в том, что для наблюдения переключения в них требуется мощное лазерное излучение. Однако нелинейные метаматериалы, как сообщается в статье, имеют более высокую чувствительность к фемтосекундным лазерным импульсам по сравнению с линейными, что дает им преимущества в управлении потоками света с помощью этих импульсов.

«В стандартных устройствах полностью оптического переключения один поток фотонов контролирует другой поток, примерно так же, как в электронном транзисторе это происходит с потоками электронов. В нашей предыдущей работе мы облучали двумя лазерными импульсами кремниевую наноструктуру, и пропускание одного импульса менялось в зависимости от того, есть ли второй импульс или нет», — рассказал соавтор исследования, кандидат физико-математических наук Максим Щербаков.

Рождение фотонов

В ходе работы Максим Щербаков и его коллеги из лаборатории нанооптики метаматериалов МГУ экспериментально продемонстрировали управление потоками фотонов с помощью лазерных импульсов и даже смогли запустить процессы слияния фотонов с помощью внешнего воздействия.

«В оптике есть интересный эффект, который наблюдается, когда три фотона сливаются в один с утроенной энергией (практически как ядра при термоядерном синтезе). Этот эффект называется "генерация третьей гармоники". В нашей работе мы одновременно (и впервые, насколько нам известно) пронаблюдали оба эффекта: полностью оптическое переключение и генерацию третьей гармоники. Иным образом, мы контролируем при помощи внешнего оптического импульса процесс "синтеза" фотонов. Это все очень важно для перспективных схем интегральной фотоники, где нужно будет иметь полный контроль над всеми возможными процессами с участием света», — отмечает Максим Щербаков, подчеркивая, что высокая чувствительность нелинейных метаматериалов позволит в будущем использовать их для создания технологий высокоскоростных коммуникаций.