Физики создали материал , способный менять свои оптические свойства почти с той же скоростью, с какой колеблется сам свет. Эксперимент открыл доступ к новому режиму взаимодействия излучения с веществом в терагерцевом диапазоне и приблизил появление сверхбыстрых лазеров, систем связи и оптических компьютеров.
Современные технологии уже умеют направлять и преобразовывать свет. Оптоволокно переносит данные на огромные расстояния, лазеры создают узкие и точные пучки, а оптические сенсоры находят вещества по характеру их излучения. Однако большая часть таких устройств управляет фотонами с помощью структуры, которая остаётся неизменной во время работы.
Новая разработка добавляет к пространству ещё одно измерение — время. Исследователи создали фотонный временной кристалл, чьи свойства ритмически меняются за считаные пикосекунды. Одна пикосекунда равна одной триллионной доле секунды.
Работа сосредоточена на терагерцевом диапазоне электромагнитного спектра. Такие волны занимают промежуточное положение между микроволновым излучением, используемым электроникой, и инфракрасным светом, с которым работают фотонные системы.
Терагерцевые частоты примерно в тысячу раз выше частот, характерных для обычных электронных компонентов. Потенциально этот диапазон позволяет быстрее передавать информацию, изучать внутреннюю структуру материалов и управлять движением электронов. Техническое освоение терагерцевых волн пока заметно отстаёт от развития радиоэлектроники и оптики.
Обычный фотонный кристалл представляет собой материал с повторяющейся внутренней структурой. Чередование участков с разными оптическими свойствами заставляет свет определённых частот отражаться, задерживаться или двигаться в заданном направлении. Принцип напоминает работу полупроводников, только вместо электронов устройство управляет фотонами.
Расположение элементов в таком кристалле задаёт поведение света в пространстве. После изготовления структура обычно остаётся постоянной. Температура или магнитное поле способны изменить её характеристики, но при неизменных внешних условиях материал продолжает работать в одном режиме.
Фотонный временной кристалл действует иначе. Его отражательная способность и резонансная частота периодически меняются во времени. Свет внутри устройства сталкивается не со статичной решёткой, а с быстро перестраивающейся средой.
Для эксперимента учёные изготовили плазмонный метаматериал. Устройство состоит из микроскопических золотых выступов, расположенных над изолирующим слоем и полупроводником на основе индия и сурьмы. Золотые элементы образуют крошечные полости, в которых терагерцевое излучение оказывается зажато между металлом и полупроводником.
При возбуждении поверхности полупроводника возникают поверхностные плазмоны — коллективные колебания свободных электронов. Такие волны способны связываться со светом, удерживать его возле поверхности и поддерживать колебания внутри микроскопических полостей.
Главная сложность заключалась в необходимости одновременно добиться сильного и чрезвычайно быстрого изменения свойств материала. Слабая перестройка не дала бы заметного эффекта, а медленная не позволила бы перейти в режим временного кристалла.
Решить задачу помог источник терагерцевого излучения TELBE, работающий на ускорительном комплексе ELBE в немецком исследовательском центре HZDR. Установка создаёт мощные, стабильные по фазе импульсы, частоту которых можно точно настраивать.
Под действием таких импульсов отражательная способность метаматериала резко менялась за пикосекунды. По масштабу преобразование можно сравнить с ситуацией, когда объект почти мгновенно начинает излучать совершенно другой цвет.
Стабильность импульсов играла решающую роль. Для формирования временного кристалла изменения должны происходить согласованно с колебаниями электромагнитного поля. Небольшой сбой по времени разрушил бы необходимый режим взаимодействия.
Теоретическая модель подтвердила результаты эксперимента и описала движение фотонов внутри устройства. Расчёты показали, что временная перестройка вдвое сократила потери излучения.
Под потерями исследователи понимают часть света, которая не отражается и не остаётся внутри структуры, а уходит через поверхность метаматериала. Чем меньше фотонов теряется, тем дольше устройство может поддерживать колебания и тем сильнее становится возможное усиление сигнала.
Следующая задача команды состоит в дальнейшем снижении потерь. Учёные также хотят увеличить количество фотонов, удерживаемых внутри полостей. При достаточно сильном усилении метаматериал сможет работать как новый тип терагерцевого лазера.
Обычный лазер формирует свет определённой частоты благодаря многократному прохождению фотонов через усиливающую среду. Временной кристалл способен добавить к такому процессу быструю настройку. Частоту и интенсивность излучения можно будет менять почти мгновенно, не перестраивая механически всё устройство.
Подобные источники пригодятся для беспроводной связи, спектроскопии и медицинской визуализации. Терагерцевые волны проходят через многие неметаллические материалы и реагируют на колебания молекул, поэтому помогают исследовать вещества без разрушения образцов.
Особый интерес технология представляет для оптических вычислений . Электронные процессоры передают сигналы с помощью движения зарядов по проводникам, что приводит к нагреву и задержкам. Фотонные схемы используют свет и потенциально способны обрабатывать данные быстрее при меньших потерях энергии.
Фотонный временной кристалл пока остаётся лабораторным устройством, а не готовым компонентом компьютера или телекоммуникационной системы. Исследователям предстоит повысить эффективность, уменьшить энергозатраты и научиться интегрировать метаматериал с другими элементами.
Главный результат работы заключается в демонстрации нового способа управления светом. Вместо создания неподвижной оптической структуры физики научились менять саму среду на временах, сопоставимых с колебаниями излучения. Такой режим открывает возможность усиливать, перенастраивать и удерживать терагерцевые волны с недоступной прежде скоростью.