Управление светом за 74 фемтосекунды: метаповерхность отклонила луч на 13 градусов без движущихся частей

Кремниевая наноструктура, активируемая лазерными импульсами, изменяет направление и форму светового пучка с рекордной скоростью — это открывает перспективу для полностью оптических вычислений

Международная команда физиков из Калифорнийского университета в Беркли и Тель-Авивского университета разработала метаповерхность, которая меняет направление и форму лазерного луча за 74 фемтосекунды (74×10-15 с). В устройстве отсутствуют зеркала, линзы или механические компоненты — управление осуществляется при помощи второго светового импульса, который изменяет оптические характеристики материала. Эксперимент, описанный в журнале Nature Nanotechnology, продемонстрировал отклонение луча до ±13 градусов, а время переключения оказалось ограничено только длительностью управляющего импульса — это означает, что оно может быть ещё короче.

Ключ к рекорду — оптический эффект Керра, при котором показатель преломления материала изменяется под воздействием интенсивного света. Этот эффект сам по себе слабый, но обладает субфемтосекундным откликом: электронная поляризация вещества реагирует на поле накачки практически мгновенно, в отличие от медленных процессов переноса зарядов, характерных для полупроводниковых модуляторов.

Чтобы увеличить керровский отклик до практически полезного уровня, исследователи спроектировали метаповерхность с высокодобротными резонансами, где энергия практически не теряется. Её элементарные ячейки — кремниевые структуры меньших размеров, чем длина волны — функционируют как оптические резонаторы, значительно увеличивая взаимодействие света с веществом. Пространственно структурированный импульс накачки локально изменяет показатель преломления в каждой ячейке, и пробный луч, проходя через эту неоднородность, отклоняется или изменяет форму волнового фронта.

«Основная идея заключалась в создании метаповерхности, чья оптическая реакция не фиксирована на этапе производства, — объяснил ведущий автор Клаудио Хейл. — Изменяя схему подсветки, мы перенастраиваем, как устройство направляет и формирует свет, и делаем это на ультракоротком временном масштабе». Соавтор Лиор Михаэли добавил, что изначально эффект был столь мал, что потребовалось специально усилить его конструкцией метаповерхности, чтобы не только зафиксировать, но и использовать для управления лучом.

Помимо основного результата — сверхбыстрого отклонения с программируемым углом — в эксперименте наблюдались самодифракция и самомодуляция пучка накачки, а также линейная конверсия частоты и произвольная двумерная модуляция пробного света. Эти эффекты стали возможны благодаря тому, что на фемтосекундном масштабе керровский отклик не загрязняется паразитным двухфотонным поглощением и нагревом, которые проявляются позже и предоставляют лишь постоянный фоновый вклад.

Для систем связи принципиально важно, что столь быстрое управление светом в будущем позволит обрабатывать оптические сигналы напрямую, без промежуточного преобразования в электрические. В настоящее время волоконно-оптические линии передают данные фотонами, но на узлах маршрутизации и в процессорах свет переводят в ток — операция, требующая времени и энергии. Метаповерхность, способная перенаправлять и переформировывать луч за десятки фемтосекунд, устанавливает ориентир скорости, при котором только оптическая логика и коммутация становятся реальной альтернативой электронной.

Тем не менее, авторы подчеркивают: работа пока что носит фундаментальный характер, и до практических устройств ещё предстоит пройти долгий путь, однако сам факт, что фемтосекундное управление светом без движущихся частей было достигнуто в компактной плоской структуре, открывает новые возможности для поиска архитектур полностью оптических вычислений и квантовых интерфейсов.