Лазерный мир

Сотрудники физического факультета МГУ совместно с коллегами из США и Германии создали перестраиваемый метаматериал на основе наночастиц арсенида галлия (это химическое соединение галлия и мышьяка). С помощью нового оптического метаматериала будут разработаны устройства для сверхбыстрой передачи информации, сообщается в пресс-релизе МГУ.

Поясним, что 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.
Учёные изготовили метаматериал из плёнки 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 «включён», 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 соавтор 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 учёных 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 ещё одним существенным шагом к обеспечению таких скоростей обработки информации.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications

Ultrafast all-optical tuning of direct-gap semiconductor metasurfaces
Tuning GaAs metasurfaces with femtosecond laser pulses. a Illustration of ultrafast tuning of the MD mode at low pump fluences. The resonance position is tuned within a 6-ps time window due to free carrier injection and subsequent recombination. b Scanning electron micrograph of a metasurface sample. The scale bar is 500 nm. c Electric fields of the MD mode in the vertical cross-section of a nanodisks, as excited by the probe beam
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00019-3

Источник: http://www.vesti.ru/doc.html?id=2888437