Американские физики научились при помощи коротких импульсов света переворачивать и «зеркально» отражать фрагменты метаматериала, повторяющего по своим свойствам длинные молекулы – данное свойство может быть использовано для создания высокоскоростных систем связи, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Рис. 1. «Молекула» из кусочков золота, кремния и сапфира,
способная менять свои оптические свойства со скоростью света.

В живой и неживой природе существует целый ряд молекул, пространственная структура которых не совпадает с устройством их зеркального отражения. К примеру, летучее вещество лимонен в одной пространственной конфигурации обладает запахом лимона, а в зеркальном отражении приобретает аромат апельсина. Данный феномен называется хиральностью, а обычная и зеркальная форма молекулы – энантиомерами.

Как правило, химики и физики отличают их по оптическим свойствам молекулы – зеркальная и обычная формы пропускают свет по разному.

Группа физиков под руководством Антуанетты Тейлор (Antoinette Taylor) из Центра интегрированных нанотехнологий в Лос-Аламосе (США) проводила эксперименты с микроскопическими фрагментами метаматериала, повторявшими по своим свойствам длинные хиральные молекулы.

«Хиральность природных материалов можно тоже поменять, но этот процесс, который предполагает внесение структурных изменений в молекулы, обладает слабой силой и идет очень медленно. Наши искуственные молекулы позволили нам переключать их пространственную конфигурацию со скоростью света», – пояснил один из участников группы Сян Чжан (Xiang Zhang) из университета Калифорнии в Беркли.

Тейлор и ее коллеги разработала особый метаматериал из микроскопических пластинок золота и кремния, способный поглощать энергию света. Они изготовили из них небольшие конструкции – «молекулы», напоминающие по своей форме знак «>» (больше) или «<» (меньше). Данные структуры были прикреплены к пластине из сапфира и кремния.

Отдельные компоненты этих «знаков» обладали различными оптическими и электрическими свойствами. В частности, половина золотых пластинок пропускала свет с правой поляризацией, а другие фрагменты золота – с левой.

Кусочки кремния играли роль переключателя – они поглощали свет управляющего лазера, превращали его в электричество и блокировали работу одной из групп пластинок, в зависимости от конструкции молекулы.

Благодаря этому молекула могла исполнять роль своеобразного оптического «выключателя» – при облучении лазером она меняла свои оптические свойства, то есть превращалась в «зеркальный» или обычный энантиомер. При прекращении облучения молекула возвращалась в исходную пространственную конфигурацию.

К примеру, в одном из состояний молекула пропускала поляризованное терагерцовое излучение, тогда как в другом она была непрозрачна для него. Как объясняют ученые, данное свойство может использоваться для создания высокоскоростных систем связи и для других целей – создания высокочувствительных медицинских приборов и систем безопасности в аэропортах.