Инженеры Гарварда создали чип для управления «закрученностью» света в реальном времени

Схематическое изображение скрученных двумерных фотонных кристаллов, интегрированных с MEMS, освещенных право- и лево-поляризованными лучами. Предоставлено: группа Мазура в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук (SEAS).

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона создали компактное устройство, способное активно управлять «закрученностью» (хиральностью) света, проходящего через него. Это достигается за счет небольшого поворота двух специально сконструированных слоев фотонных кристаллов.

Проектом руководил аспирант Фань Ду в лаборатории Эрика Мазура. Команда разработала перестраиваемый скрученный двумерный фотонный кристалл, которым можно управлять в реальном времени с помощью интегрированной микроэлектромеханической системы (MEMS). Этот прорыв может открыть новые возможности в хиральном зондировании, оптической связи и квантовой фотонике.

Хиральность очень важна во многих областях науки — от фармацевтики до химии, биологии и, конечно, физики и фотоники. Интегрируя скрученные фотонные кристаллы с MEMS, мы получили платформу, которая не только мощна с точки зрения физики, но и совместима с современными методами производства фотонных устройств.

Фотонные кристаллы — это наноматериалы, предназначенные для управления поведением света. Эти структуры, достаточно маленькие, чтобы поместиться на кончике иголки, уже используются в технологиях для вычислений, сенсоров и высокоскоростной передачи данных.

Группа Мазура расширила эту область, применив идеи из «твистроники» — концепции, получившей известность благодаря исследованиям скрученного двумерного графена. Складывая два слоя нитрида кремния с нанесенным узором и поворачивая их относительно друг друга, исследователи могут создавать новые оптические свойства, которых нет в одном слое.

В исследовании, опубликованном в журнале Optica, команда показала, что такая скрученная двумерная структура естественным образом создает асимметрию между левым и правым, что делает её высокоэффективной для управления хиральностью света. Хиральность относится к объектам, которые нельзя совместить со своим зеркальным отражением, как левая и правая руки. В оптике это понятие применимо как к материалам, так и к самому свету, который может распространяться по спирали.

Свет может вращаться по часовой стрелке (право-круговая поляризация) или против часовой стрелки (лево-круговая поляризация). Хотя эти различия тонкие, они играют критическую роль во многих научных приложениях.

Небольшие различия в хиральности могут иметь серьёзные последствия. В химии и медицине молекулы, являющиеся зеркальными отражениями друг друга, могут вести себя в организме совершенно по-разному. Известный пример — талидомид, препарат 1950-х годов. Одна версия молекулы помогала от утренней тошноты у беременных женщин, а её зеркальное отражение вызывало серьёзные врождённые дефекты.

Учёные часто используют хиральный свет для изучения таких молекул. Традиционные инструменты, включая фазовые пластинки и линейные поляризаторы, могут обнаруживать поляризацию, но их возможности фиксированы, а диапазон ограничен.

Новое гарвардское устройство преодолевает эти ограничения благодаря полной перестраиваемости. Вместо статических компонентов его отклик на разные типы хирального света можно непрерывно настраивать без замены каких-либо частей.

Эта гибкость обеспечивается двумерной конструкцией. Когда два слоя фотонного кристалла сближаются и поворачиваются, структура становится геометрически хиральной и способной определять «закрученность» падающего света. Сильное взаимодействие между слоями приводит к совершенно разному поведению при пропускании света с лево- и право-круговой поляризацией при «нормальном падении».

Используя систему MEMS для точного контроля как угла скручивания, так и расстояния между слоями, исследователи продемонстрировали, что устройство можно настроить на почти идеальную селективность при различении «закрученности» света.

Хотя текущее устройство служит доказательством концепции, оно указывает на практические применения. Будущие системы могут использоваться в хиральном зондировании, где устройства настраиваются для обнаружения специфических молекул на разных длинах волн. Они также могут функционировать как динамические модуляторы света в системах оптической связи, позволяя точно управлять светом прямо на чипе.

Статья «Динамическое управление внутренней оптической хиральностью с помощью MEMS-интегрированных фотонных кристаллов» была написана в соавторстве с Хаонином Таном, Ифанем Лю, Минцзе Чжаном, Бэйчэном Лу, Гуанци Гао, Сюяном Ли, Алсилем Энрикесом и Шаньхуэем Фаном.