Физики из МГУ создали сверхбыстрый перестраиваемый метаматериал из арсенида галлия

Сотрудники физического факультета МГУ совместно с коллегами из США и Германии создали перестраиваемый метаматериал на основе наночастиц арсенида галлия. С помощью нового оптического метаматериала будут разработаны устройства для сверхбыстрой передачи информации. Результаты работы опубликованы в престижном журнале Nature Communications.

Оптические метаматериалы — это искусственно созданные объекты, которые благодаря наноструктурированию приобретают оптические свойства, не характерные для исходных материалов. Почти за двадцать лет исследователям удалось разработать множество различного рода метаматериалов: от скрывающих объекты до чувствительных к микроскопическим концентрациям веществ. Однако после изготовления таких материалов их свойства нельзя изменить. Российские физики придумали способ «включать» и «выключать» метаматериалы, причем делать это очень быстро — более 100 миллиардов раз в секунду.

Ученые изготовили метаматериал из пленки арсенида галлия методом электронно-лучевой литографии с последующим плазменным травлением. Материал представляет собой массив наночастиц арсенида галлия, которые благодаря своей форме резонансно взаимодействуют со светом. Иными словами, при облучении метаматериала светом он «скапливается» внутри метаматериала и взаимодействует с ним более эффективно.

Работа перестраиваемого метаматериала основана на принципе генерации электронно-дырочных пар. Если облучить метаматериал лазерным импульсом, его энергия переходит электронам, которые получают возможность свободно перемещаться по материалу. Это влияет на другие световые импульсы, которые попадают в метаматериал: теперь, если метаматериал включен, свет от него отражается; если выключен — то нет. Таким образом можно управлять светом при помощи света; на этом принципе можно построить оптические логические элементы и, в конце концов, получить возможность создания сверхбыстрых оптических компьютеров.

«Ранее, в 2015 году, мы выпустили статью о созданном нами устройстве на основе кремниевых наноструктур. Тогда нами была показана принципиальная возможность создания наноразмерного фотонного переключателя, — рассказал ведущий автор статьи, научный сотрудник кафедры квантовой электроники, Максим Щербаков. — Оказалось, что использование арсенида галлия вместо кремния на порядок уменьшает энергопотребление таких метаматериалов».

«В своих экспериментах для исследования уникального оптического метаматериала мы с коллегами использовали мощный фемтосекундный лазерный комплекс и целый ряд оптических методик, что позволило получить результаты, которые играют существенную роль в создании оптических логических элементов», — сообщила автор статьи Варвара Зубюк.

Работа физиков МГУ относится к фотонике, которая изучает оптические сигналы, а также занимается созданием устройств различного назначения на их базе. В частности, в отличие от электроники, где сигнал передает электрон, в фотонике для этой цели служит электромагнитный квант. Исследования ученых позволят в перспективе создавать устройства передачи и обработки информации на скоростях в десятки и сотни терабит в секунду. Создание перестраиваемого метаматериала для сверхбыстрого фотонного переключения с эффективностью, достаточной для приложений, стало еще одним существенным шагом к обеспечению таких скоростей обработки информации.
 

Фото: Схема переключаемого оптического метаматериала. Источник: Андрей Федянин.