Разработанные ИИ 3D-материалы позволяют произвольно управлять преломлением света

Программирование функций преломления. Автор: Ozcan Lab @ UCLA

Преломление света — изменение его направления при прохождении через различные среды — долгое время подчинялось физическим законам, не позволяющим независимо управлять волнами в разных направлениях. Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали новый класс пассивных материалов, структурно спроектированных для «программирования» преломления, что открывает возможность произвольного управления световыми волнами.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, команда под руководством профессора Айдогана Озкана представила устройство под названием «генератор преломляющих функций» (RFG). Оно позволяет независимо настраивать направление преломленного света для каждого входного направления, что значительно расширяет возможности по сравнению с традиционными материалами и метаповерхностями.

Обычное преломление, описываемое законом Снеллиуса, связывает входное и выходное направления света через фиксированные свойства материала. Даже передовые метаповерхности обеспечивают лишь ограниченную настройку.

RFG использует тонкую стопку пассивных прозрачных слоев, каждый из которых структурно спроектирован с помощью глубокого обучения на масштабах, близких к дифракционному пределу света. Это позволяет полностью произвольно задавать функции преломления, разделяя входные и выходные характеристики. Устройства толщиной всего в несколько десятков длин волн способны выполнять сложные преобразования, включая перестановку, фильтрацию и даже отрицательное преломление.

Для проверки концепции исследователи изготовили и протестировали RFG с помощью 3D-печатных материалов и терагерцовых волн. Устройства успешно изгибали свет в заранее заданных направлениях, подтверждая возможность программирования преломления.

«Это значительный шаг вперед в нашей способности точно контролировать и проектировать поведение света», — отметил профессор Озкан. «Программируя преломление с помощью структурированных 3D-материалов, мы открываем новые возможности для оптических вычислений, коммуникаций и систем визуализации».

Исследование показывает, что RFG могут быть компактными, эффективными и устойчивыми к погрешностям производства и изменениям длины волны. ИИ-фреймворк также продемонстрировал дополнительные возможности, включая мультиплексирование по длине волны и поляризации, а также однонаправленную маршрутизацию света с использованием только пассивных материалов.

Авторы работы — доктор Мд Садман Сакиб Рахман, Тяньи Гань, профессор Мона Джаррахи и профессор Айдоган Озкан из Школы инженерии UCLA. Исследование поддержано Армейским научно-исследовательским управлением США (ARO).

Подробнее: Md Sadman Sakib Rahman et al, Programming of refractive functions, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62230-x