Бурное развитие физики и материаловедения в последние десятилетия дало человечеству очень широкий выбор материалов. Теперь создателям сложных механизмов все меньше надо подстраиваться под те ограничения, которые накладывают на их фантазию традиционные материалы: металлы, древесина, стекло, минералы. Ученые могут сделать материал прочным, но легким; жестким, но гибким; прозрачным, но имеющим отрицательный показатель преломления.

Огромные перспективы открывают в этом смысле так называемые метаматериалы. За счет сложной периодической структуры они сравнительно мало зависят от свойств их компонентов. Эти структуры можно использовать для работы со светом, электричеством, теплом. При этом их характеристики будут превосходить природные материалы. Такие структуры могут быть объемными, а могут быть и плоскими, в таком случае их называют метаповерхностями.

«Метаповерхности позволяют добиться очень многих интересных эффектов в управлении светом, ― рассказывает старший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Иван Синев. ― Их можно делать из элементов такой хитрой формы, что получившаяся поверхность позволит управлять светом во многих отношениях не хуже, чем объемные материалы. Однако у таких метаповерхностей есть проблема: то, как они взаимодействуют со светом, определяется ровно в тот момент, когда мы придумываем их дизайн, разрабатываем структуру. Все свойства закладываются в момент разработки и производства и дальше остаются неизменными. Для устройств практического применения хотелось бы этими свойствами управлять не только в момент создания, но и по мере использования. То есть делать не комплект линз с определенными показателями фокусировки, а адаптивные элементы, которые меняли бы свои свойства в зависимости от ситуации».

Причем здесь DVD-диски

В поисках материала для такой адаптивной оптики исследователи из Университета ИТМО объединились с коллегами из английского Университета Эксетера. Дело в том, что петербургские исследователи давно экспериментируют с метаповерхностями из полупроводников, к примеру, из кремния. Английские ученые имеют большой опыт обработки материалов с фазовой памятью. К таким веществам относятся, например, соединения германия, сурьмы и теллура (GeSbTe), которые часто используются в DVD-дисках.

Международная группа решила совместить привычные для себя материалы в единую структуру так, чтобы объединить преимущества кремния, имеющего очень хорошие показатели преломления в ближней инфракрасной зоне, и материала с фазовой памятью, который может «переключаться» между состояниями с пониженным и повышенным отражением и поглощением света (эти два состояния и используются в DVD-дисках для кодировки информации двоичным кодом).

«Мы сделали расчеты, как должен выглядеть новый композитный материал, ― рассказывает инженер Нового физтеха Павел Трофимов. ― Вставка из GeSbTe у нас представлена в виде тонкого слоя между двумя слоями кремния. Получается такой бутерброд ― сначала на исходную подложку напыляется кремний, затем слой материала с фазовой памятью, затем снова кремний».

Затем при помощи электронной литографии ученые получили из слоистой структуры метаповерхность ― массив из множества микроскопических дисков, с которой уже и работали в лаборатории, проверяя ее свойства для управления светом.

Механизм переключения

Образцы исследовались в лаборатории Нового физтеха в Санкт-Петербурге. Как и ожидалось, совмещение двух материалов в сложную периодическую структуру дало очень важный эффект ― уровень прозрачности получившейся поверхности можно было менять по ходу эксперимента.

Дело в том, что у кремниевого диска есть в ближней инфракрасной зоне два оптических резонанса, которые позволяют особенно сильно отражать направленный на поверхность ИК-луч. Слой GeSbTe позволил при определенных условиях «выключать» один из этих резонансов, делая диск практически полностью прозрачным для света в ближнем инфракрасном спектре.

Как же происходит это переключение? Материалы с функциональной памятью имеют два состояния ― кристаллическое, с жесткой упорядоченной структурой молекул, и аморфное, в котором молекулы располагаются, условно говоря, «как попало». Если находящийся в центре метаматериала слой GeSbTe будет пребывать в кристаллическом состоянии, то второй резонанс пропадет, если же в аморфном, то диск по-прежнему будет отражать ИК-лучи.

«Чтобы переключать метаповерхность между двумя состояниями, мы использовали импульсный лазер с достаточно высокой энергией, ― рассказывает Павел Трофимов. ― Фокусируя лазер на нашем диске, мы достаточно быстро можем "переключать" материал. Короткий лазерный импульс нагревает слой GeSbTe практически до температуры плавления, после чего тот быстро остывает и аморфизуется. Если же на диск воздействовать серией коротких импульсов, то он остывает медленнее, застывая в кристаллической структуре».

Более того, такое переключение идет сравнительно плавно, что позволяет получать не только два противоположных свойства метаповерхности ― отражение или пропускание, но и промежуточные состояния, когда диск пропускает часть света, а часть отражает. При этом такие переключения можно делать многократно.

«Во многих работах по созданию гибридных структур с материалами с фазовой памятью совершенно игнорируется тот факт, что важно показать не только наличие двух состояний ― отражение и пропускание света, но и продемонстрировать обратимость процесса переключения, ― поясняет Иван Синев. ― Переключение между кристаллическим и аморфным состоянием обеспечить очень непросто, надо дать возможность материалу быстро остывать. Дело в том, что сами по себе материалы с фазовой памятью обладают плохой теплопроводностью, и далеко не каждый метаматериал с их добавлением способен, однажды оказавшись в кристаллическом состоянии, когда-то еще снова аморфизироваться. Мы же за счет использования максимально тонкого слоя GeSbTe смогли этого добиться».

Перспективы применения

Свойства новой метаповерхности могут пригодиться для разных применений. Прежде всего, это создание лидаров, устройств, сканирующих пространство с помощью излучения и приема отраженных объектами ИК-импульсов.

«Чтобы такие устройства работали эффективно, нужно с большой скоростью менять угол излучения, ― рассказывает Павел Трофимов. ― Это значит, что ваш прибор, который управляет лучом, должен иметь быстро меняющийся оптический отклик. Та метаповерхность, которая в будущем будет создана на основе нашей работы, может позволить создавать такие приборы без сложной системы механических элементов, которые отклоняют пучки в сторону. Это значительно упростит производство и увеличит надежность».

Также метаповерхность может иметь и другие применения. Потенциально принцип их создания можно взять за основу при производстве специальных сверхтонких линз для фотообъективов, к примеру, установленных в мобильных телефонах.

«У фотоаппаратов в телефоне главная проблема как раз заключается в толщине линз, она иногда определяет габариты всего телефона, ― говорит Иван Синев. ― Материал на основе нашей технологии, при условии нанесения правильного градиента фазового состояния, теоретически можно использовать для фокусировки света в оптическом диапазоне и использовать в качестве линзы. Кроме того, переключение свойств нашего материала с отражения на пропускание света можно использовать для систем хранения и чтения информации».

Статья: Ruiz de Galarreta C., Sinev I., Alexeev A.M., Trofimov P., Ladutenko K., Garcia-Cuevas Carrillo S., Gemo E., Baldycheva A., Bertolotti J., Wright C.D. Reconfigurable multilevel control of hybrid all-dielectric phase-change metasurfaces. Optica, 2020/10.1364/OPTICA.384138