Учёные создали сверхбыстрый оптический переключатель на основе асимметричных метаповерхностей

Автор: CC0 Public Domain

В нанофотонике крошечные структуры используются для управления светом на наномасштабе, что открывает новые технологические возможности. Ключевым элементом здесь являются оптические резонаторы, которые улавливают и усиливают свет определённого цвета (длины волны).

Предыдущие методы управления этими резонансами были больше похожи на диммер: можно было ослабить резонанс или немного изменить его цвет. Однако полноценное включение и выключение было невозможно, так как резонаторы всегда остаются фундаментально связанными со светом.

Команда под руководством Андреаса Титтла, профессора экспериментальной физики в LMU, вместе с коллегами из Университета Монаша (Австралия) совершила прорыв в этой области. Как сообщают исследователи в журнале Nature, они разработали новый метод управления связью между нанорезонаторами и светом на сверхбыстрых временных масштабах. Это позволяет создавать резонанс «из ничего» за несколько пикосекунд или полностью его гасить.

Невидимый для света

Ключ к успеху лежит в продуманном дизайне так называемых метаповерхностей — ультратонких слоёв со специально расположенными наноструктурами. Учёные создали структуры из двух крошечных кремниевых стержней, которым намеренно придали разную геометрическую форму, сделав их асимметричными. Хотя стержни геометрически различны, их оптические реакции на определённую длину волны света взаимно компенсируются. Это означает, что структура физически присутствует, но остаётся «невидимой» для света — резонанс «выключен».

Именно эта асимметрия и позволяет реализовать переключение. Поскольку два наностержня разные, они по-разному реагируют на свет различных длин волн и поляризаций. Физики использовали это, целенаправленно возбуждая один из стержней сверхкоротким лазерным импульсом длительностью всего 200 фемтосекунд. Это временно изменило его оптические свойства, нарушило тонкий баланс и заставило резонанс внезапно связаться со светом — он «включился».

Целенаправленное нарушение симметрии

«Сердце нашей работы — это преднамеренное нарушение симметрии на экстремально коротких временных масштабах», — говорит Титтл. «Мы создаём идеальный оптический баланс в структурно асимметричной системе. Намеренно нарушая этот баланс лазерным импульсом, мы получаем совершенно новый уровень свободы для управления взаимодействием света и материи. Мы можем генерировать резонанс по желанию, гасить его или точно настраивать его полосу пропускания, как с помощью регулятора».

Помимо численного моделирования и последующего изготовления метаповерхностей в чистой комнате, серьёзной задачей стало оптическое измерение их временного поведения.

«Только с помощью нашего подхода временной спектроскопии мы смогли экспериментально зафиксировать эти сверхбыстрые процессы и в реальном времени наблюдать, как резонанс появляется за пикосекунды, а затем снова исчезает», — говорит Леонардо де С. Менезес, ответственный за спектроскопические эксперименты.

В экспериментах, проведённых главными авторами Андреасом Айгнером и Томасом Поссмайером, команда продемонстрировала четыре различных режима переключения: генерацию резонанса из «тёмного» состояния, полное гашение существующего резонанса, а также целенаправленное расширение и сужение профиля резонанса. В случае сужения, например, исследователям удалось увеличить Q-фактор резонанса — показатель его качества — более чем на 150%.

Смена парадигмы в нанофотонике

Возможность прямого управления связью со светом представляет собой смену парадигмы для активной нанофотоники. Более того, этот принцип не ограничивается кремнием, но может быть легко расширен на другие материалы и даже более быстрые механизмы переключения, что ещё больше увеличивает потенциал для будущих применений. Точный контроль над наличием и отсутствием резонансов может не только позволить создавать низкопотерные оптические переключатели для телекоммуникаций или оптической обработки данных, но и продвинуть исследования сложных квантовых явлений, таких как так называемые временные кристаллы.

Дополнительная информация: Optical control of resonances in temporally symmetry-broken metasurfaces, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09363-7

Источник: Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана