Группа ученых из Университета ИТМО, Национального Университета Колумбии и Университета Сиены разработала уникальную по своим свойствам структуру. С ее помощью можно намного эффективнее управлять электромагнитными поверхностными волнами — локализованными волнами, которые распространяются вдоль различных поверхностей. Это открывает новые возможности в создании компактных оптических устройств для передачи и обработки данных.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.

Явление поверхностных волн изучено учеными уже достаточно давно. Наглядный пример этого явления — поверхностные волны на воде, которые выглядят как расходящиеся круги от брошенного камня. Электромагнитные поверхностные волны в оптике — это перспективный способ передачи локализованного света в плоскости, который важен для разработки миниатюрных оптических и оптоэлектронных систем передачи и обработки данных — антенн и усилителей, оптических схем и передатчиков, экранов и сенсоров, а также элементов оптического компьютера. Однако есть ряд проблем, не позволяющих внедрить этот метод в реальные устройства.

«Так как поверхностные волны расходятся кругами, на больших расстояниях от источника они теряют практически всю энергию. Тогда ученые научились передавать оптический сигнал из точки в точку в режиме каналирования, когда волна распространяется узким пучком вдоль заданного направления. Но, используя этот режим, достаточно сложно переключаться между разными направлениями распространения света. И, кроме того, в режиме каналирования раньше никому не удавалось контролировать поляризацию передаваемых в плоскости волн. Поляризация света — это фактически оптический бит, то есть управление поляризацией позволяет “зашивать” информацию в свет», – объяснил научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Олег Ермаков.

Ученым ИТМО удалось решить все эти задачи с помощью особого типа двумерной структуры — самодополняющей метаповерхности, состоящей из двух периодически повторяющихся элементов: дипольной антенны и щели в металлическом слое такой же формы.

«Наша структура подчиняется принципу Бабине, благодаря чему элементы метаповерхности переходят в себя при инверсии, открывая уникальные свойства. Удивительно, что, следуя этому фундаментальному и давно известному закону оптики, нам удалось реализовать достаточно простую структуру и сразу решить многие задачи, над которыми ученые бились годами», – добавил Олег Ермаков.

Пока что предложенная структура может работать только в микроволновом, терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазонах. То есть полученную метаповерхность можно уменьшить только в тысячу раз, а, например, не в миллион. При этом ученые уверены, что данную технологию возможно реализовать и в видимом диапазоне с помощью диэлектрических структур, над чем они и продолжают работу.

Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».