Рис. 1. Схема метаповерхности из нанодисков арсенида галлия. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Исследователи из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова в сотрудничестве с коллегами из США и Германии экспериментально продемонстрировали эффект сверхбыстрого оптического переключения в метаматериалах. Эксперимент проводили с использованием фемтосекундных импульсных лазеров и наноструктурированной среды из полупроводника арсенида галлия. Обнаруженный эффект может найти применение в быстрых вычислениях как один из способов сверхбыстрого управления светом на наномасштабах.

Проблема управления светом на наномасштабах и проблема построения оптических изображений с разрешением выше, чем длина волны, интересуют исследователей как с фундаментальной точки зрения (преодоление дифракционного предела), так и с прикладной (сверхразрешение, создание оптических чипов; см. Фотонная интегральная схема). Область знаний, посвященная этим задачам, называется нанофотоникой.

Теоретическая возможность многих интересных оптических эффектов на субволновых масштабах была показана уже давно. Еще лорд Релей заметил, что рассеяние света на мелких взвешенных в атмосфере частицах воды и пыли дает голубой цвет неба. После того как Густав Ми создал теорию рассеяния света микро- и наночастицами, стало возможно построение метаматериалов и метаповерхностей — искусственных наноструктурированных сред с упорядоченными частицами, позволяющих создавать заданный оптический отклик, то есть возможность заданным образом преобразовывать (отражать, преломлять, фокусировать) свет.

С тех пор было не раз показано, что материалы, структурированные на нанометровых масштабах, обладают оптическими свойствами, отличающимися качественно от свойств материала, из которого они сделаны. За счет управления фазой световой волны на субмикромасштабах удается наблюдать такие эффекты, как отрицательный показатель преломления (когда угол преломления перестает подчиняться закону Снеллиуса и увеличивается в более плотной среде), суперфокусировка (когда удается преодолеть дифракционный предел фокусировки), и другие. В частности, «суперлинза Веселаго» — плоская наноструктурированная среда — позволяет преодолеть дифракционный предел и сфокусировать свет в область менее половины длины его волны. Модель суперлинзы была построена теоретически советским ученым Виктором Веселаго в 1967 году. В дальнейшем идея была подхвачена английским теоретиком Джоном Пендри (см. Джон Пендри, Дэвид Смит «В поисках суперлинзы»). Однако по-настоящему активный прогресс нанофотоники начался в последние годы благодаря технологическому прорыву в возможностях изготовления наноструктур заданной геометрии и химического состава с хорошей точностью.

Такие материалы чувствительны к свойствам окружающей среды: они могут менять цвет в зависимости от ее состава или температуры. Поэтому метаматериалы нашли свое применение в биосенсорике, термотерапии, солнечных батареях, хранении информации и т. д. В частности, развитие получили новые фотонные элементы — устройства для управления светом на микромасштабах (например, для будущих применений в быстрых вычислениях).

Проблема оптических метаматериалов в том, что их оптические свойства нельзя перестраивать. Для многих нужд необходимы управляемые метаматериалы, свойства которых можно изменять с помощью электрических или магнитных полей уже после изготовления. А для применения в быстрых вычислениях свойства метаматериалов должны изменяться под внешними воздействиями еще и экстремально быстро.

Одно из подобных сверхскоростных изменений было недавно обнаружено учеными МГУ имени М. В. Ломоносова совместно с коллегами из США и Германии. В метаматериалах арсенида галлия реализовано сверхбыстрое переключение света. Речь идет о методике сверхбыстрых измерений накачка-зонд (pump-probe, см. Аттосекунды: 3. Как взрезать атом), в которой используются два лазерных импульса длительностью несколько десятков фемтосекунд. Процесс напоминает своей логикой работу электронного транзистора, в котором приложение напряжения к базе изменяет ток через транзистор. Первый импульс изменяет оптические свойства среды: он может быстро нагреть ее и тем самым поменять коэффициент отражения света от среды. Второй импульс взаимодействует с измененной средой не так, как с «холодной»: он отражается слабее или сильнее. Затем за несколько пикосекунд материал возвращается к первоначальному состоянию.

Сама идея далеко не нова. Методика уже неоднократно применялась ко многим разным материалам. Однако в большинстве случаев свойства материала меняются недостаточно сильно, на считанные проценты, а для реализации логического переключения (переключения логического «нуля» на «единицу») нужно изменить какой-то из коэффициентов — отражения, преломления или поглощения — хотя бы вдвое.

Для увеличения эффекта переключения естественно было бы использовать полупроводники, в которых свет (импульс лазера) способен генерировать свободные носители тока (электроны), которые до возбуждения были связаны с решеткой. При этом полупроводник на короткое время превращается в металл, что для оптики является качественным отличием: электроны, свободные в металле и связанные в диэлектрике, по-разному реагируют на переменное электрическое поле световой волны. Кусок металла похож на зеркало, а фрагмент пластика скорее матовый.

Исторически больше всего исследователи работали с кремнием, развивая идею интеграции кремниевой электроники и фотоники. Однако кремний представляет собой так называемый непрямозонный полупроводник, в котором для генерации свободных электронов излучением ближнего инфракрасного диапазона требуется изменить импульс этих электронов, чтобы выполнялся закон сохранения импульса. Поэтому оптическая генерация носителей в кремнии не так эффективна. Арсенид галлия — полупроводник прямозонный, оптическая генерация носителей в нем намного более эффективна, но все еще недостаточна для практических применений.

Для сверхбыстрого управления светом в этой работе использовалась концепция метаповерхностей, изготовленных из прямозонного полупроводника. Размер нанодисков из арсенида галлия (рис. 1) подобран таким образом, чтобы свет нужной длины волны эффективно в нем задерживался, образуя подобие стоячей волны. На рис. 2 показано такое резонансное увеличение электромагнитного поля внутри.нанодиска (численный расчет).

Рис. 2. Усиление электромагнитного поля световой волны в нанодиске арсенида галлия (численный расчет). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Для этого кроме правильных размеров нужен большой контраст показателя преломления диска с окружающими материалами. С маленькой разницей показателей преломления вещества и окружающей среды отражение будет слабым, оптический резонатор не будет работать. Это легко понять, если погрузить в воду кусок стекла. В этом случае свет практически «не замечает» границы между водой и стеклом: мы стекло не видим, так как показатели преломления воды и стекла близки, и коэффициент отражения в этом случае маленький. Для хорошего оптического контраста между арсенидом галлия и окружением используются дополнительные диски-«подкладки» из диэлектрических AlGaO и SiO_x, поэтому структура получается многослойной. В этом метаматериале коэффициент отражения света имеет резонансный характер, то есть он возрастает вблизи длины волны резонанса (схематично показано синей линией на рис. 3).

Рис. 3. Схематичное объяснение эффекта сверхбыстрого переключения. Рисунок автора

Положение резонансной длины волны очень чувствительно к показателю преломления материала нанодиска. Если мы его меняем с помощью лазерного импульса, то резонансная кривая сдвигается на величину, сравнимую с шириной этого резонанса (красная кривая). Эффект качественного переключения коэффициента отражения теперь наглядно виден. Для выбранной длины волны света 1000 нм (пунктирная линия на рис. 3) коэффициент отражения изменился от почти единицы до почти нуля. В реальном эксперименте удалось динамически уменьшить коэффициент отражения более чем в два раза за 1 пикосекунду, система вернулась в первоначальное состояние за 6 пикосекунд. И, что наиболее важно для практических приложений, за счет резонансного усиления оптического поля внутри полупроводника переключения удалось достичь с плотностью энергии импульса всего 380 мкДж/см². В методике накачки-зондирования это очень маленькая величина для получения таких сильных эффектов.

Результат работы ставит новые захватывающие задачи и открывает возможности практических приложений, такие как изучение сверхбыстрого изменения других характеристик оптического поля — например, направления излучения, фазы его фронта, влияние окружения (для биосенсорики) и, конечно же, быстрые оптические вычисления в фотонном компьютере. Электронные процессоры достигли достаточно высоких частот, то есть скорости работы, с помощью 14-нанометровой технологии. Однако при таких размерах минимального элемента «узким местом» стали проводники, их соединяющие, так как они обязаны быть очень тонкими, при этом их сопротивление электрическому току высоко, что, в свою очередь, увеличивает время прохождения этого тока пропорционально сопротивлению. Фактически, фундаментальный предел частоты работы электронного процессора уже достигнут.

Для преодоления скоростных ограничений процессоров предлагаются концептуально новые идеи, такие как квантовые вычисления (см. Квантовый компьютер) или фотонный компьютер. В фотонных компьютерах вычисления и передачу данных пытаются ускорить за счет использования света вместо электронов во всех функциональных частях устройства — процессоре, шине передачи данных, памяти.

Правда, оказалось, что недостаточно заменить отдельные функции компьютера с электронных на фотонные, так как само преобразование электронного сигнала в фотонный и обратно сильно ограничено по скорости. Чтобы совершить качественный скачок, мы должны заменить сразу все функциональные части компьютера — передачу данных, память, процессор. И если задача передачи данных по оптоволокну уже давно и успешно решена, то задача оптических вычислений требует поиска новых фундаментальных физических эффектов, которые могут лечь в основу оптического транзистора. Одним из именно таких эффектов и стал обнаруженный эффект сверхбыстрого оптического переключения в метаповерхности из арсенида галлия.

Источник: Maxim R. Shcherbakov, Sheng Liu, Varvara V. Zubyuk, Aleksandr Vaskin, Polina P. Vabishchevich, Gordon Keeler, Thomas Pertsch, Tatyana V. Dolgova, Isabelle Staude, Igal Brener & Andrey A. Fedyanin. Ultrafast all-optical tuning of direct-gap semiconductor metasurfaces // Nature Communications. 2017. V. 8. Article number: 17. DOI: 10.1038/s41467-017-00019-3.

Татьяна Долгова