Международная группа исследователей из Физического факультета МГУ, Центра комплексных нанотехнологий и Йенского университета имени Фридриха Шиллера создала новый метаматериал с необычными свойствами: он может становиться «зеркальным» под действием лазерного луча. В перспективе этот материал может быть использован для создания логических элементов фотонных компьютеров. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Метаматериалы представляют собой композиционные материалы, которые за счет своей особой структуры имеют свойства, не характерные для составляющих их веществ в исходном состоянии. В последние несколько десятков лет ученые получали материалы с очень необычными свойствами, к примеру, скрывающие находящиеся за ними объекты от радиоволн или даже видимого света.

Исследователи разработали метаматериал, который под действием лазерных импульсов может на короткое время менять свой коэффициент отражения. Он состоял из трехслойных цилиндров, в которых основным слоем являлся GaAs.

Лаборатория нанофотоники и метаматериалов МГУ

Структура нового метаматериала. Maxim R. Shcherbakov et al. / Nature Communications, 2017

Работа физиков основана на технике спектроскопии накачки-зондирования. Кратко ее можно представить следующим образом: на исследуемый образец посылается лазерный луч, возбуждающий колебания атомов. Практически сразу за ним (в течение нескольких пикосекунд) на образец посылается второй луч, называемый зондом, который отражается на детектор. Регулируя задержку между первым и вторым лучом можно получить картину колебаний атомов в решетке или других эффектов, вызываемых облучением.

Видео, наглядно объясняющее метод спектроскопиинакачки-зондирования

Исследователи облучали материал лазерным лучом. С помощью зондирующего луча, следующего за первым, они измеряли коэффициент отражения материала. Выяснилось, что лазерные импульсы с определенными длинами волн, попадающие на этот слой, вызывали магнитный дипольный резонанс в цилиндрах материала и передавали его электронам энергию, которая переводила электроны в зону проводимости. Из-за этого на несколько пикосекунд (10−12 с) в материале резко увеличивался коэффициент отражения. Таким образом, исследователи получили материал, который за счет лазерных импульсов можно переключать из отражающего состояния в поглощающее.

Ученые считают, что их разработка может быть использована в создании логических элементов для оптических компьютеров будущего. Поскольку переключение происходит с очень высокой скоростью, устройства на основе разработанных переключателей смогут передавать и обрабатывать информацию со скоростями в сотни терабит в секунду.

В последние годы активно ведется разработка оптических вычислительных систем. К примеру, в конце 2015 года был представлен первый прототип оптоэлектронного процессора. Однако, некоторые ученые скептически относятся к этому направлению, и утверждают, что компьютеры из сверхпроводящих компонентов гораздо перспективнее.