Светом научились управлять за 74 фемтосекунды: метаповерхность отклонила луч на 13 градусов без единой движущейся детали

Кремниевая наноструктура, активируемая лазерными импульсами, меняет направление и форму светового пучка в рекордном темпе — это обещает полностью оптические вычисления

Международная группа физиков из Калифорнийского университета в Беркли и Тель-Авивского университета создала метаповерхность, которая перестраивает направление и форму лазерного луча за 74 фемтосекунды (74×10-15 с). Никаких зеркал, линз или механических элементов в устройстве нет — управление происходит за счёт второго светового импульса, меняющего оптические свойства материала. Эксперимент, описанный в Nature Nanotechnology, показал отклонение луча до ±13 градусов, а время переключения оказалось ограничено лишь длительностью управляющего импульса — то есть может быть ещё короче.

Ключ к рекорду — оптический эффект Керра, при котором показатель преломления материала изменяется под действием интенсивного света. Эффект сам по себе слаб, но обладает субфемтосекундным откликом: электронная поляризация вещества реагирует на поле накачки практически мгновенно, в отличие от медленных процессов переноса носителей заряда, типичных для полупроводниковых модуляторов.

Чтобы усилить керровский отклик до практически полезного уровня, учёные спроектировали метаповерхность с высокодобротными резонансами, где энергия почти не теряется. Её элементарные ячейки — кремниевые структуры меньше длины волны — работают как оптические резонаторы, многократно увеличивая взаимодействие света с веществом. Пространственно структурированный импульс накачки локально меняет показатель преломления в каждой ячейке, и пробный луч, проходя через эту неоднородность, отклоняется или меняет форму волнового фронта.

«Ключевая идея состояла в том, чтобы создать метаповерхность, чей оптический отклик не фиксирован раз и навсегда при изготовлении, — пояснил ведущий автор Клаудио Хейл. — Меняя рисунок подсветки, мы перенастраиваем то, как устройство направляет и формирует свет, и делаем это на ультракоротком масштабе времени». Соавтор Лиор Михаэли добавил, что изначально эффект был настолько мал, что пришлось специально усиливать его конструкцией метаповерхности, чтобы не просто зарегистрировать, а использовать для управления лучом.

Помимо основного результата — сверхбыстрого отклонения с программируемым углом — в эксперименте наблюдались самодифракция и самомодуляция пучка накачки, а также линейная конверсия частоты и произвольная двумерная модуляция пробного света. Эти эффекты стали возможны благодаря тому, что на масштабе фемтосекунд керровский отклик не загрязняется паразитным двухфотонным поглощением и нагревом, которые проявляются позже и дают лишь постоянный фоновый вклад.

Для систем связи принципиально важно, что столь быстрое управление светом в перспективе позволит обрабатывать оптические сигналы напрямую, без промежуточного преобразования в электрические. Сегодня волоконно-оптические линии передают данные фотонами, но на узлах маршрутизации и в процессорах свет переводят в ток — операция, съедающая время и энергию. Метаповерхность, способная перенаправлять и переформировывать луч за десятки фемтосекунд, задаёт ориентир скорости, при котором только оптическая логика и коммутация становятся реалистичной альтернативой электронной.

Впрочем, авторы подчёркивают: работа пока что фундаментальная, и до практических устройств ещё далеко, однако сам факт, что фемтосекундное управление светом без движущихся частей достигнуто в компактной плоской структуре, открывает возможности для поиска архитектур полностью оптических вычислений и квантовых интерфейсов.