Исследовательская группа, состоящая из ученых Техасского университета в Остине и Технического университета Мюнхена, разработала тонкопленочный метаматериал, обладающий нелинейными оптическими свойствами. При этом, нелинейность оптических свойств метаматериала проявляется в тысячи раз сильнее нелинейности обычных материалов, также обладающих подобными свойствами. И в качестве демонстрации своих возможностей в этой области ученые создали зеркало, толщиной всего в 400 нанометров, отражающее свет, частота которого ровно в два раза выше частоты света, падающего на поверхность этого зеркала.

Следует отметить, что нелинейные зеркала подобного рода уже создавались на базе обычных материалов с нелинейными оптическими характеристиками. Но, с учетом интенсивности падающего света и толщины структуры зеркала, зеркало на основе нелинейного метаматериала производит приблизительно в миллион раз больше фотонов с удвоенной частотой, нежели нелинейные зеркала из обычных материалов.

«Наша работа открывает набор новых парадигм в области нелинейной оптики» – рассказывает профессор Андреа Аллу (Andrea Alu), – «Используя комбинацию экзотического взаимодействия электромагнитных волн с метаматериалами, мы сможем реализовать принципиально новые технологии, которые с успехом можно применять как в области квантовых вычислений, так и в традиционной электронике».

Рис. 1.

Метаматериал с нелинейными оптическими характеристиками состоит из последовательности более чем 100 слоев индия, галлия, мышьяка и алюминия. Толщина каждого слоя колеблется в пределах от 1 до 10 нанометров. Нижняя часть структуры покрыта слоем золота, а на верхнюю поверхность многослойной структуры зеркала нанесена крестообразная золотая решетка, имеющая заданную форму и геометрические размеры.

Тонкие слои полупроводниковых материалов, чередующихся в структуре зеркала, ограничивают количество возможных квантовых состояний электронов в материале, а крестообразные золотые структуры представляют собой упорядоченные необходимым образом резонаторы, частоты которых соответствует частотам падающего и отраженного света.

Созданное в качестве демонстрации нелинейное зеркало рассчитано на преобразование волн длиной 8 микрометра в волны, длиной 4 микрометра. Однако, размеры структуры зеркала и резонаторов на его поверхности могут быть рассчитаны так, что зеркало будет эффективно работать и с волнами другой длины, от почти инфракрасного света до излучения терагерцового диапазона.

«Результаты наших исследований открывают путь к разработке новых сверхтонких оптических элементов, обладающих ярко выраженными нелинейными оптическими характеристиками. Такие элементы могут стать основой преобразователей частоты и других оптических устройств, используемых в химическом анализе, в области квантовых вычислений, в медицине и во множестве других областей» – рассказывает профессор Михаил Белкин (Mikhail Belkin).