Чип Caltech управляет светом за 74 фемтосекунды

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали устройство, способное перенаправлять луч света с помощью другого луча всего за 74 фемтосекунды (74 квадриллионных доли секунды). Это примерно то время, за которое свет проходит ширину человеческого волоса.

«Управлять светом с помощью света очень сложно, поскольку свет обычно очень слабо взаимодействует с материей. Используя оптические метаповерхности (ультратонкие наноинженерные листы), мы можем усилить взаимодействие и добиться этого с гораздо более высокой эффективностью», — говорит Гарри Атватер, профессор прикладной физики и материаловедения имени Говарда Хьюза в Caltech.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology. Ведущий автор работы Клаудио Хайль проводил исследование, будучи постдокторантом в лаборатории Атватера в Caltech. Сейчас он — доцент машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли.

Многие существующие технологии управления светом основаны на изменении электронных свойств материала — например, жидкокристаллические панели в проекторах или оптические чипы в телекоммуникационных системах. В таких устройствах электроны переходят в возбуждённые состояния, а затем возвращаются обратно, высвобождая энергию. Этот процесс занимает время и обычно ограничивает модуляцию света наносекундами или пикосекундами.

Команда Атватера пошла другим путём, отказавшись от электрического сигнала. Вместо этого исследователи использовали мощный луч света (накачку) со специально рассчитанным рисунком, который временно изменял оптические свойства материала. Второй, более слабый луч (зонд) проходил через этот материал, и его направление менялось в соответствии с рисунком, созданным лучом накачки.

Система основана на оптическом эффекте Керра: интенсивный луч света кратковременно вызывает очень небольшое изменение показателя преломления материала. Эффект возникает из-за изменений в движении электронов внутри их орбиталей — электроны не переходят в долгоживущие возбуждённые состояния, поэтому изменение появляется и исчезает почти так же быстро, как сам импульс света.

Сам по себе эффект Керра слишком слаб, чтобы заметно отклонить луч. Чтобы усилить отклик, исследователи создали метаповерхность из тонкой плёнки аморфного кремния, покрытой наноразмерными столбиками, каждый из которых меньше длины волны света накачки. Подбор размеров и расстояния между столбиками заставляет свет дольше оставаться внутри метаповерхности и циркулировать в ней, что усиливает изменение показателя преломления.

С помощью этой конструкции исследователи отклоняли свет на углы до 13 градусов всего за 74 фемтосекунды. Скорость модуляции ограничивалась длительностью импульса накачки (тоже 74 фемтосекунды).

По словам учёных, текущий предел скорости связан с лазерными импульсами, а не с фундаментальными свойствами самого метаматериала. Это оставляет возможность сделать процесс ещё быстрее — вплоть до масштабов, актуальных для таких перспективных фотонных концепций, как временные кристаллы и синтетические оптические материалы с изменяющимися во времени свойствами.

Работа была поддержана грантами Управления научных исследований ВВС США, Швейцарского национального научного фонда, программы стипендий Фулбрайта и фонда Breakthrough Foundation. Инфраструктуру и поддержку предоставил Институт нанонауки имени Кавли при Caltech.

Источники:

Материалы предоставлены Caltech.

Claudio U. Hail, Lior Michaeli, Harry A. Atwater. Ultrafast, reconfigurable all-optical beam steering and spatial light modulation. Nature Nanotechnology, 2026; 21 (7): 940 DOI: 10.1038/s41565-026-02199-w