Физики ИТМО предложили способ создания оптических устройств, не теряющих своих свойств из-за случайных дефектов. Учёные спроектировали метаматериал, который работает как односторонняя линза для микроволн: фокусирует их в одном направлении и расфокусирует при распространении обратно. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.
Структура почти не замечает внутренние изъяны — волна проходит сквозь неё и не рассеивается на неровностях. Материал может пригодиться в оптических вычислениях и системах передачи данных, где дефекты не должны ослаблять сигнал.
Как это работает
Обычно свет внутри материалов рассеивается из-за случайных погрешностей изготовления. Для борьбы с этим используют топологические изоляторы, но они снижают влияние дефектов только у своей границы.
Учёные ИТМО Дмитрий Вагин и Максим Горлач предложили структуру, которая не только минимизирует влияние дефектов, но и необычно фокусирует свет. В обычной линзе путь лучей обратим, а у новой структуры эта обратимость нарушена: она работает как собирающая и расфокусирующая линза в зависимости от направления падения света — за счёт магнитного поля и специальной симметрии решётки.
Поверхность рассчитана на микроволны — с ними проще работать, поскольку длина волны составляет сантиметры и детали могут быть миллиметровыми. Внешне материал выглядит как непрозрачная тёмная пластинка, однако микроволновое излучение проходит сквозь неё без препятствий. Детали — металлические провода и цилиндры из иттриевого граната, реагирующего на магнитное поле, — управляют волной.
Первый автор статьи Дмитрий Вагин объяснил, что при падении волны с одной стороны она проходит с одной задержкой, а с обратной — с другой. При изменении магнитного поля эффект усиливается или ослабляется — так можно менять фокусное расстояние.
Расчёты подтвердили, что дефекты почти не влияют на прохождение волны: случайные отражения гасят друг друга из-за магнитного поля и асимметрии структуры.
Где пригодится
Метаматериал может пригодиться в производстве фотонных интегральных схем — замены обычных микросхем, где электроны заменены фотонами. Это повышает скорость работы и сокращает энергозатраты, но дефекты при изготовлении портят функционал устройств. Также линза может пригодиться для сенсоров: обращённая наружу сторона расфокусирует свет извне, и датчик не потеряет изображение из-за яркого света.
Руководитель фронтирной лаборатории Максим Горлач отметил, что в лаборатории исследуют невзаимные структуры последние пять лет. По его словам, новая работа демонстрирует новый способ уменьшить влияние дефектов на оптические свойства микро- и наноструктур. Пока реализация предложена в микроволновом диапазоне, но, возможно, её удастся перенести и на фотонные чипы.