Международная команда исследователей из Калифорнийского университета (Беркли) совместно с коллегами из Тель-Авивского университета разработала метаповерхность, способную корректировать траекторию и конфигурацию лазерного луча всего за 74 фемтосекунды (что составляет 74×10 ^-15 с). В конструкции отсутствует применение зеркал, линз или подвижных деталей – регулировка осуществляется посредством воздействия второго светового импульса, модифицирующего оптические характеристики материала. Результаты эксперимента, зафиксированные в журнале Nature Nanotechnology, продемонстрировали изменение направления луча на величину до ±13 градусов, при этом скорость переключения ограничена исключительно продолжительностью управляющего сигнала и потенциально может быть уменьшена.

Основой достижения послужил оптический эффект Керра – явление изменения показателя преломления вещества под воздействием интенсивного светового потока. Этот эффект сам по себе незначителен, однако характеризуется субфемтосекундной реакцией: поляризация электронов в веществе практически мгновенно реагирует на энергию накачки, что существенно быстрее процессов переноса заряда, свойственных полупроводниковым модуляторам.

Для повышения интенсивности керровского отклика до практического уровня ученые создали метаповерхность с резонансами высокой добротности, минимизирующими потери энергии. Её базовые элементы – кремниевые структуры размером менее длины волны света – функционируют как оптические резонаторы, многократно усиливая взаимодействие светового излучения и материала. Пространственно модулированный импульс накачки локально изменяет показатель преломления в каждой ячейке, что приводит к отклонению пробного луча или изменению формы волновой фронта при его прохождении через эту неоднородность.

«Центральной задумкой являлось создание метаповерхности, характеристики которой не являются неизменными после производства, — объяснил главный автор Клаудио Хейл. – Варьируя схему освещения, мы изменяем способ направления и формирования света устройством, причём это происходит за чрезвычайно короткий промежуток времени». Соавтор Лиор Михаэли отметил, что первоначально наблюдаемый эффект был настолько незначительным, что требовалось специальное усиление конструкции метаповерхности для его использования в управлении световым лучом, а не просто фиксации.

Помимо основного достижения – сверхскоростного отклонения с регулируемым углом, — во время эксперимента были зафиксированы самодифракция и самомодуляция накачки пучка света, а также линейное преобразование частоты и произвольная двумерная модуляция пробного луча. Подобные явления стали возможными благодаря тому, что на фемтосекундном уровне керровский отклик не сопровождается нежелательным двухфотонным поглощением и нагревом, которые проявляются позже и вносят лишь постоянный фоновый шум.

Для коммуникационных систем критически важно то, что такая быстрая манипуляция светом позволит обрабатывать оптические сигналы непосредственно, без промежуточного преобразования их в электрический ток. В настоящее время волоконные линии связи передают информацию посредством фотонов, но на узлах маршрутизации и внутри процессоров свет преобразуется в электричество – процесс, требующий значительных затрат времени и энергии. Метаповерхность, способная перенаправлять и изменять форму луча за считанные фемтосекунды, устанавливает новый стандарт скорости для оптической логики и коммутации как реальной альтернативы электронным методам.

Тем не менее, исследователи подчеркнули: данное исследование носит фундаментальный характер, и до создания практических устройств ещё предстоит пройти значительный путь; однако сам факт достижения фемтосекундного управления светом без использования механизированных элементов в компактной плоской структуре открывает перспективы для разработки архитектур полностью оптических вычислений и квантовых интерфейсов.