До начала, что такое метаповерхности и для чего они нужны?
Люди много лет используют оптику, чтобы управлять светом. Мы давно привыкли к очкам, лазерам, телескопам. Все они хорошо выполняют свою функцию, но у них очень большие размеры. Сейчас же все стремятся перейти к компактным, наноразмерным устройствам. Хорошие возможности для этого предоставляют метаповерхности – тонкие пленки из наночастиц, определенным образом размещенных на подложке.
Метаповерхности уже более 10 лет интересуют исследователей, но только современное оборудование позволило перейти от теории к изготовлению качественных экспериментальных образцов. Сначала появились плазмонные метаповерхности на основе металлов. Они работают за счет возбуждения плазмонов, то есть колебаний плотности электронного газа вдоль поверхности металла. В таких метаповерхностях ученым удалось воспроизвести функции обычной, линейной оптики, то есть управлять направлением, амплитудой и поляризацией световой волны, не меняя ее частоту. В линейном режиме плазмонные метаповерхности показали достойные результаты, но из-за больших потерь энергии на нагрев не смогли достичь эффективности классических оптических приборов.
Сейчас физики стремятся перейти в нелинейный режим, то есть получить контроль еще и над частотой света. С помощью таких технологий можно будет, к примеру, сделать видимым тепловое излучение человеческого тела: перевести его из инфракрасной в видимую область спектра и увидеть человека в полной темноте. Ученые начали исследовать нелинейные метаповерхности совсем недавно, и оказалось, что плазмонные метаповерхности в нелинейном режиме не эффективны. Дело в том, что для изменения частоты световой волны нужно приложить мощный импульс. Металл под действием такого импульса нагревается, происходят большие потери энергии, а выходная интенсивность света снижается. Кроме того, металл может просто расплавиться.
Существуют ли какие-то альтернативы металлам?
В качестве замены металлам были предложены диэлектрические метаповерхности. Диэлектрики, такие как кремний, достаточно слабо поглощают в самых распространенных диапазонах частот и почти не нагреваются. На уровне наномасштабов диэлектрики вошли в физику около пяти лет назад. Оказалось, что в линейном режиме они превосходят металлы. А большой показатель преломления позволяет диэлектрикам «сжимать» волну внутри частицы, делая ее соизмеримой самой структуре.
Несмотря на это преимущество, работающие диэлектрические метаповерхности до сих пор были сделаны только в линейном режиме. В своей недавней работе мы с коллегами из Австралийского национального университета и национальной лаборатории «Оak Ridge» в Америке попытались сделать нелинейную диэлектрическую метаповерхность, и нам это впервые в мире удалось. Результаты этой работы опубликованы в журнале Nano Letters. Мы смогли экспериментально реализовать два типа метаповерхностей: дефлектор и вортекс. Дефлектор отклоняет падающую волну на заданный угол, а вортекс закручивает свет из линейной поляризации в круговую. При этом оба типа устройств переводят длину волны света из инфракрасного в видимый диапазон. На самом деле, на основе нашей концепции можно реализовать практически любую функцию в нелинейном режиме. В этом смысле метод универсален.
И в чем главная идея такого универсального подхода?
Работа большинства оптических устройств основана на контроле фазы световой волны. Фаза характеризует относительное колебание волн: они могут колебаться одновременно или с некоторой задержкой. В наноустройствах фазу можно сдвинуть, например, за счет возбуждения резонанса. Когда вы заставляете наноструктуру резонировать, она откликается с задержкой. Поскольку резонанс внутри структуры зависит от ее размеров и формы, меняя геометрию, можно контролировать фазу волны на выходе.
Наша идея была в том, чтобы собрать метаповерхность из частиц с разной геометрией. Тогда в разных областях падающего светового пучка можно получить разный сдвиг фазы. Это позволяет изменить направление света, поляризацию или другие свойства. В итоге можно сделать набор частиц с разной формой и использовать его потенциально для любой функции, размещая частицы нужных размеров и форм определенным образом. При этом важно не потерять интенсивность света. На самом деле, идея набора из разных частиц была известна, но нам впервые удалось адаптировать ее для нелинейной оптики и на практике получить рабочую структуру.
Расскажите об основных этапах этой работы.
Исследование проходило под руководством профессора Юрия Семеновича Кившаря и включало три основных направления: теоретический анализ, численное моделирование и эксперимент. Сначала мы разработали общую теорию, которая позволила по форме частицы предсказать, как она будет взаимодействовать со светом. Подобрав примерный диапазон размеров частиц, мы использовали суперкомпьютер в Австралии, чтобы просчитать параметры более точно. Это была непростая задача, ведь необходимо было перебрать множество значений в заданном диапазоне. Занимался этим Ли Вонг, с его помощью нам удалось понять, какие сделать частицы и как их разместить, чтобы получить нужный отклик.
После моделирования мы приступили к экспериментам. Сергей Крук отправился в «Оak Ridge», где они с Иваном Кравченко на местном оборудовании создали множество экспериментальных образцов. Все образцы затем отправились в Австралию, где их измерили и отобрали самые удачные. Для измерений мы использовали сложное оборудование: мощные лазеры для генерации падающей волны, собирающие объективы и датчики для регистрации свойств выходящей волны. В итоге мы смогли экспериментально убедиться, что метаповерхности способны менять свойства световой волны и эффективно выполнять нелинейные преобразования.
Дефлектор и вортекс стали первыми успешными примерами диэлектрических метаповерхностей, работающих в нелинейном режиме. Теперь мы планируем реализовать другие интересные и потенциально полезные функции – например, голограммы.
Статья: Nonlinear Wavefront Control with All-Dielectric Metasurfaces. Lei Wang, Sergey Kruk, Kirill Koshelev et al. Nano Letters, 11th May, 2018.
