Ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета штата Мичиган разработали новый вид метаматериалов, в котором отклонением проходящего излучения можно управлять в каждой точке поверхности независимо от остальных. Потенциально такие метаматериалы можно использовать для создания универсальных плоских линз, произвольно меняющих свою оптическую силу под контролем программируемого микрочипа, а также голографических устройств. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Новый метаматериал (так называемая метаповерхность) устроен следующим образом. На подложку из кремния нанесен тонкий (толщиной 200 нанометров) слой оксида ванадия, который электрически изолирован оксидом кремния от поверхностного слоя золота. Золото делает поверхность непрозрачной, чтобы падающая электромагнитная волна не могла пройти сквозь нее напрямую. Однако в сплошном золотом слое сделаны крестообразные вырезы и по их периметру проложены тонкие нагревательные электроды, сделанные из титана. 

Суть работы нового устройства заключается в том, что нагревание изменяет локальные оптические свойства поверхности в данной точке, в результате чего проходящее излучение отклоняется на некоторый определенный угол. Эффект возникает благодаря тому, что при нагреве выше некоторой пороговой температуры оксид ванадия (VO2) становится оптически активным, то есть сдвигает фазу электромагнитной волны проходящего излучения и смещает пик резонансной кривой пропускания. В результате падающее вертикально на метаповерхность излучение определенной частоты выходит под некоторым углом — аналогично тому, как это происходит при преломлении света. 

M. Hashemi et al. / Scientific Reports, 2016

Важно, что каждым из элементов можно управлять независимо и в устройстве нет никаких движущихся частей. В результате каждый из нагревательных элементов управляется независимо от остальных, что позволяет эффективно контролировать излучение, не имея на поверхности никаких движущихся элементов. 

Важно, что каждый из элементов поверхности, нагреваемый собственным титановым электродом, никак не влияет на соседние, то есть на поверхности фактически образуются независимые друг от друга фазовращающие антенны, параметры которых могут контролироваться пользователем с помощью программируемого микрочипа. В некотором смысле работа устройства напоминает фазированную антенную решетку, однако в данном случае каждый элемент метаповерхности действует независимо от остальных, что позволяет формировать почти произвольную картину пропускания света.

В рамках существующих технологий довольно просто сделать микроэлектронные схемы, управляющие даже очень маленькими нагревательными элементами на поверхности метаматериала независимо от остальных. Такие схемы известны чрезвычайно давно и получили воплощение в компьютерах и других современных электронных устройствах. Основная сложность заключается в том, чтобы нанести нагревательные элементы на поверхность метаматериала, сделав их чрезвычайно маленькими, и подключить к ним программируемый микрочип, что и удалось достигнуть авторам.

Для примера на врезе показано, как действует один из элементов поверхности метаматериала, когда ток нагревательного элемента составляет 13 миллиампер. В результате смещения положения резонанса и сдвига фазы все электромагнитные волны частотой 92 гигагерца будут отклоняться этим элементом на угол 59 градусов.

(a) Структура метаматериала: на подложку из кремния нанесен слой оксида ванадия, электрически изолированный от покрывающего всю конструкцию слоя золота оксидом кремния; в слое золота сделаны крестообразные апертуры; по периметру каждой апертуры проложен нагревательный элемент нанометровых размеров из титана; ток на каждом нагревательном элементе контролируется с помощью микроэлектронного устройства (на рисунке не показан). (b) График, показывающий зависимость температуры оксида ванадия под крестообразной апертурой от силы тока на нагревательном элементе, проложенном по периметру апертуры. © Пример того, как одна антенна оказывает свое действие на падающую электромагнитную волну: пик резонансной кривой пропускания оксида ванадия смещается влево, при этом фаза сдвигается, в результате чего электромагнитная волна преломляется; в зависимости от тока нагревательного элемента можно получить нужный сдвиг фазы и, соответственно, направление проходящего света. M. Hashemi et al. / Scientific Reports, 2016

В настоящее время усилия многих исследователей сосредоточены на поиске новых метаматериалов с оптически активной поверхностью. Поверхность таких метаматериалов называют также метаповерхностями. Они преобразуют падающее излучение, изменяя амплитуду, фазу и поляризацию электромагнитной волны. Метаповерхности являются главным компонентом пространственных модуляторов света, которые применяются в целом ряде современных технологий: космической связи, лидарах (лазерных локаторах), создании и обработке изображений, голографии и многих других. Кроме того, пространственные модуляторы света позволяют развивать технологии безопасности, в частности дистанционное зондирование, дистанционное наблюдение и навигацию в условиях плохой видимости. 

К сожалению, чтобы работать с видимым светом, активные элементы метаповерхности должны иметь характерные размеры гораздо меньше, чем длина волны красного света, то есть гораздо меньше 700 нанометров. Метаматериалы с такими характерными размерами отдельных элементов очень трудно создать, и в настоящем исследовании авторам удалось получить хорошие результаты лишь с излучением частоты 100 гигагерц, а значит, с длиной волны 3 миллиметра, что пока довольно далеко от видимого света.

Автор: Александр Калашников