Новые баллистические оптические метаматериалы

Новые баллистические оптические метаматериалы

Выпуск 1(6725) от 14 января 2021 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Современные системы все чаще сочетают в себе оптические и электронные модули. Пример – ​доступ ПК к Интернету по волоконно-оптическому кабелю. Но сопряжение подобных подсистем представляет собой непростую задачу из-за различий природы используемых в них фотонов и электронов. Несоответствие между электронными и оптическими блоками приводит к снижению эффективности системы в целом из-за потерь при преобразовании оптического сигнала в электрический и обратно. Недавно ученые Университета Пердью (Уэст-Лафейетт, шт. Индиана, США) предложили способ создания более эффективных метаматериалов, способных решить эту проблему.

Разработчики создали новый класс материалов, обладающий потенциалом резкого увеличения разрешающей способности систем медицинского сканирования и научного оборудования формирования изображения, а также существенного уменьшения размеров суперкомпьютеров. Иными словами, более миниатюрные и мощные системы будущего позволят ученым более детально рассматривать гораздо меньшие объекты.

Ученые десятилетиями работали в области нанофотоники, пытаясь сделать фотоны более совместимыми с электронами. Это может быть достигнуто за счет применения разреженных материалов и дорогостоящих производственных технологий, с помощью которых формируются так называемые гиперболические метаматериалы. Использование гиперболических материалов позволяет сжимать фотоны, меняя квантовое состояние света, что облегчает взаимодействие с электрическими системами. Другими словами, подобное сжатие позволяет решить проблему разрыва между оптикой и электроникой, дает возможность создавать очень эффективную оптоэлектронику.

Проблема заключается в создании гиперболических материалов. Они, как правило, состоят из переплетенных слоев металлов и диэлектриков, и каждая поверхность должна быть настолько гладкой и бездефектной, насколько это возможно на атомарном уровне. Решение такой задачи – ​сложное, трудоемкое и дорогостоящее дело. Тем не менее оно есть и лежит в области полупроводниковой промышленности. Речь идет не о свойствах собственно полупроводниковых материалов, а о накопленном отраслью более чем за 70 лет существования опыте по эффективному изготовлению и обработке высококачественных материалов. Именно этот опыт и попытались использовать специалисты Университета Пердью для производства новых и улучшенных метаматериалов.

К сожалению, полупроводники не являются по своей природе хорошими оптическими метаматериалами – ​им не хватает электронов. Они могут работать на относительно низких частотах, в средней и дальней ИК-областях спектра. Но для улучшения технологий визуализации и очувствления роботов ученым требуются метаматериалы, работающие в видимой и ближней ИК-областях спектра, на гораздо более коротких длинах волн, чем в средней и дальней ИК-областях.

Специалисты Университета Пердью открыли и испытали оптическое явление, получившее название «баллистический резонанс». В этих новых оптических материалах, сочетающих концепции метаматериалов с атомарной точностью монокристаллических полупроводников, свободные (баллистические) электроны взаимодействуют с осциллирующим оптическим полем. Синхронизация оптического поля с частотой движения свободных электронов, когда они отскакивают в пределах тонких проводящих слоев, образующих композитный материал, заставляет электроны резонировать, усиливая реакцию каждого электрона и формируя метаматериал, работающий на более высоких частотах (см. рисунок). Хотя исследователи еще не смогли достичь длин волн видимого спектра, они действительно прошли 60% пути до этого момента.



Источник: Университет Пердью

Разработка Университета Пердью – баллистические оптические материалы, сформированные из композитов, состоящих из двух прозрачных материалов, что позволяет создать плазмонный материал


Было не только показано, что существует физический механизм, делающий возможным достижение указанных результатов, но и экспериментально продемонстрировано улучшение рабочей частоты по сравнению с существующими материалами на 60%. По оценкам разработчиков, реально получить полупроводниковые метаматериалы, работающие в видимой и ближней ИК-областях спектра, в течение ближайшего года или двух не удастся никому – ​скорее всего, решение задачи займет около пяти лет. Основным достижением специалистов Университета Пердью стало то, что они смогли обеспечить материальную платформу дальнейших исследований. Узкое место фотоники – ​материал, в котором электроны и фотоны могут встречаться в одном и том же масштабе длины, и эта проблема решена.


Physics Discovery Leads to Ballistic Optical Materials. Semiconductor Digest, December 14, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/12/14/physics-discovery-leads-to-ballistic-optical-materials/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ