Специалисты исследовательского института CIC nanoGUNE (Сан-Себастьян, Испания) разработали уникальную гиперболическую метаповерхность, способную радикально изменять форму и характеристики световых волн при их распространении по поверхности. Данная технология может лечь в основу инновационных систем высокоточного управления светом для применения в устройствах обработки оптических сигналов, а также в коммуникационных и квантовых системах. В условиях гомогенной и изотропной среды — где параметры материала идентичны во всех направлениях — оптические волны от точечного источника принимают правильную концентрическую форму с выпуклым фронтом импульса, что аналогично распространению кругов на воде после падения камня. Применение метаповерхностей позволяет преодолеть эти ограничения и обеспечить направленное манипулирование световыми потоками.
Ученые уже давно рассчитали теоретически, что структурированные определенным образом поверхности могут изменить форму переднего фронта импульса света, буквально “перевернув его с ног на голову”. На таких поверхностях, называемых гиперболическими метаповерхностями, волны, излученные точечным источником, распространяются только в определенных направлениях и имею обратную, вогнутую, форму переднего фронта. Такие волны называют гиперболическими поверхностными поляритонами, за счет превращений длины волн этого света намного короче длин волн оригинального света, подведенного к поверхности через открытое пространство или специальный световод.
Испанские исследователи разработали гиперболическую метаповерхность, преобразующую свет инфракрасного диапазона. Эта поверхность изготовлена на основании из нитрида бора, условно двухмерного материала, подобного графену. Нитрид бора уже дано известен ученым как материал, хорошо взаимодействующий с инфракрасным светом на чрезвычайно малом масштабе и он, этот материал, используется в миниатюрных датчиках, наноразмерных оптоэлектронных устройствах и т.п.
Создание гиперболической поверхности является достаточно сложным делом из-за необходимости создания чрезвычайно точных наноструктур нанометровых размеров. Исследователи справились с этой задачей при помощи технологии электронно-лучевой литографии, произведя высокоточную обработку тонких “хлопьев” высококачественного нитрида бора. После нескольких этапов оптимизации процесса они получили структурированную поверхность, расстояние между отдельными наноструктурами на которой составляло 25 нанометров.
Для того, чтобы увидеть особенности света, распространяющегося по гиперболической метаповерхности, исследователи использовали специально разработанную технологию инфракрасной наносъемки. На поверхность метаматериала были золотые наностолбики, размеры которых обеспечивали максимальное их взаимодействие со светом инфракрасного диапазона. Отраженный этими наностролбиками свет попадал в объектив полевого микроскопа, который позволил запечатлеть все происходящее. И на полученных таким способом изображениях было четко видно вогнутую форму фронта импульса света.
Исследователи отмечают, что разработанная ими технология изготовления гиперболических метаповерхностей может быть применена не только по отношению к нитриду бора, но и по отношению к ряду других условно двухмерных материалов, что позволит создавать из разнородных метаповерхностей достаточно сложные схемы обработки оптических сигналов. И вторым аспектом проделанной работы является демонстрация возможности использования полевой микроскопии для изучения самых экзотических оптических явлений.
Для любознательных
Гиперболические метаповерхности — это двумерные искусственные структуры, которые управляют распространением, отражением и преломлением света благодаря особым свойствам дисперсии. Их ключевая особенность — гиперболический закон дисперсии, при котором изочастотная поверхность в пространстве волновых векторов имеет форму гиперболоида. Это приводит к ряду уникальных свойств: отрицательному преломлению, усилению спонтанного излучения, увеличению субволновых полей и другим.
- Гиперлинзы для увеличения объектов наномасштаба. Они позволяют визуализировать объекты, преодолевая дифракционный предел, что важно для нанотехнологий, микроскопии и изучения микромира.
- Спектроскопия. Гиперболические метаматериалы на основе массивов нанопроводов или металлических наностержней применяются для улучшения разрешения и увеличения расстояния до сканируемого объекта.
- Нанофотоника, однофотонная генерация, зондирование и фотовольтаика. Уникальные свойства этих структур делают их перспективными для развития нанофотонных устройств, квантовых информационных систем и солнечных панелей.
- Захват частиц и клеток с помощью света. Гиперболические моды в метаматериалах могут создавать дополнительные каналы рассеяния, которые, согласно закону сохранения импульса, подталкивают частицы в направлении источника света. Это открывает возможности для создания ловушек для частиц и клеток, а также для селективного проведения химических реакций.
- Микроскопия с регулируемой глубиной проникновения. Гиперболические метаматериалы на основе мультислоёв металл/диэлектрик позволяют возбуждать объёмные плазмонные поляритоны глубокой субволновой частоты, что обеспечивает равномерное освещение поверхности большой площади с регулируемой глубиной проникновения (например, до 20 нм). Это полезно для отслеживания событий в отдельных молекулах и клеточных мембранах.
- Управление поляризацией света. Управляемые метаповерхности, например на основе наноструктурированных структур с кремниевыми цилиндрами на магнитной плёнке, позволяют динамически контролировать поляризацию света с помощью нагрева. Это открывает пути для создания перестраиваемых оптических компонентов, сверхбыстрых модуляторов света и высокочувствительных сенсоров.
- Интеграция оптических элементов в электронные микросхемы. Гиперболические метаповерхности, поддерживающие распространение гибридных поверхностных волн, могут использоваться для эффективной передачи оптических сигналов между наноантеннами в пределах оптического чипа. news.
Таким образом, гиперболические метаповерхности открывают новые возможности для управления электромагнитными волнами и находят применение в нанофотонике, микроскопии, биосенсорике, квантовых информационных технологиях и других областях. Их преимущества — плоская структура, которая легче интегрируется в существующие технологии, и возможность контроля над взаимодействиями света и вещества.
В России исследования гиперболических метаповерхностей проводятся в нескольких направлениях, связанных с контролем распространения света, усилением нелинейных эффектов и применением в различных областях науки и техники.
Исследования в области плазмон-поляритонов и метаповерхностей на основе графена
В Челябинском государственном университете и Институте радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН изучаются гиперболические метаповерхности на основе графена в сочетании со слоистыми структурами, например, VO₂–SiO₂. В работе 2023 года исследовались изочастотные контуры поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) в многослойной структуре VO₂–SiO₂–гиперболическая метаповерхность на основе графена под воздействием внешнего магнитного поля. Было показано, что направление поля влияет на направление распространения ППП, их затухание и на возникающий обратный эффект Фарадея. Также изучено взаимодействие возбуждений в VO₂ с ППП в метаповерхности.
В 2020 году в «Челяб. физ.-матем. журн.» исследовалось влияние параметров гиперболической метаповерхности на основе графена (периодичности, ширины графеновых лент, химического потенциала графена и частоты падающего света) на генерацию второй гармоники. Результаты могут стать основой для нелинейных оптических перестраиваемых устройств.
Другие направления исследований
Развитие методов восстановления эффективной поверхностной проводимости анизотропной плазмонной метаповерхности — в рамках исследований изучались дисперсионные и поляризационные особенности поверхностных волн на гиперболической метаповерхности — гиперболических плазмон-поляритонов. Была показана возможность управления поляризацией и оптическим спиновым моментом импульса гиперболических ППП за счёт изменения частоты и свойств метаповерхности.
Исследования в рамках проекта РНФ (2022–2019-19) направлены на изучение физических эффектов в наноструктурах и метаповерхностях на основе 2D-материалов во внешних полях. В рамках проекта исследовались особенности распространения поверхностных плазмон-поляритонов в наноструктурах и метаповерхностях, а также влияние внешних полей на магнитные и электрические свойства и фазовые переходы в 2D-магнитных материалах.
Перспективные области применения
Уникальные электромагнитные свойства гиперболических метаповерхностей делают их перспективными для применения в таких областях, как:
- биосенсоры;
- спектроскопия комбинационного рассеяния света с улучшенной поверхностью;
- гиперлинзы;
- отрицательное преломление;
- нанолазерные и квантовые источники;
- манипулирование лучом;
- суперлинзирование и ближнепольная микроскопия;
- оптические антенны;
- оптические интегрированные схемы;
- измерение толщины тонких плёнок и др..
Эти исследования способствуют развитию технологий в области оптики, нанофотоники, спинтроники и других смежных дисциплин.
