Современная оптика переживает настоящую революцию благодаря исследованиям российских и зарубежных ученых. Среди лидеров в этой области — команды МФТИ и ВлГУ под руководством профессора Алексея Прохорова и старшего научного сотрудника Михаила Губина. Их работа, посвященная созданию новых метаповерхностей на основе наночастиц WS2 и MoS2, открывает путь к совершено новым функциональным возможностям управления светом на наноуровне.
Метаповерхности: миниатюрные архитекторы света
Технология метаповерхностей представляет собой конструктор, где основными элементами являются наночастицы субволнового размера. Путем тщательной настройки их формы, размеров и компоновки можно реализовать практически любые сценарии взаимодействия света с веществом: изменять фазу, модулировать поляризацию или создавать новые оптические эффекты. Всё это актуализирует метаповерхности для создания компактных и интеллектуальных фотонных устройств завтрашнего дня.
Диэлектрические метаповерхности: разнообразие форм и функций
Для производства современных метаповерхностей широко применяются диэлектрические материалы с высоким коэффициентом преломления, обладающие исключительно низкими потерями света. Наночастицы формируют в виде дисков, призм или сфер и собирают их в геометрические ансамбли: димеры, тримеры и квадрумеры. Такая конфигурация позволяет получать желаемые оптические характеристики — будь то материалы для создания пространственных модуляторов, оптических делителей, ультра-тонких линз или инновационных зеркал. Также метаповерхности перспективны для сенсорных технологий нового поколения.
Исследование на стыке ведущих университетов
Совместная международная группа физиков из Владимира, Москвы и Дубая смоделировала уникальную метаповерхность, состоящую из тримеров сферических наночастиц идентичного диаметра, но созданных из различных ван-дер-ваальсовых материалов: WS2 и MoS2. При формировании каждого тримера две частицы WS2 соседствуют с одной MoS2, размещаясь в вершинах равнобедренного треугольника. Комбинируя расположение и расстояния между наночастицами, исследователи добились значительного повышения эффективности управления светом вблизи длины волны 1500 нм.
Уникальные свойства и оптимистичный взгляд в будущее
Как отмечает Алексей Прохоров, ключевая инновация состоит в применении наночастиц из ван-дер-ваальсовых материалов, чьи оптические свойства отличаются выраженной анизотропией и высоким показателем преломления. Благодаря большому выбору таких материалов можно настраивать реакцию метаповерхностей в обширных диапазонах частот. Особенно важно, что для этих целей используются исключительно сферические наночастицы, идеально подходящие для создания методом лазерного переноса — методику, которую коллектив сейчас внедряет на практике.
Рigorозный оптический анализ продемонстрировал, что новая метаповерхность способна отражать от 76 до 92 % падающего света в широком спектре. Благодаря сложному взаимодействию между WS2 и MoS2 в структуре тримера возникает бианизотропный отклик, что провоцирует появление сразу двух квазизапертых резонансных мод (на длинах волн 1474 и 1557 нм). Такая концентрация электромагнитного поля вокруг наночастиц эффективно усиливает все оптические эффекты, что предоставляет принципиально новые возможности глубокой модуляции отражения.
Применение: основа интегральной и плоской оптики
Открытия коллектива МФТИ и ВлГУ прокладывают путь к сверхтонким оптическим элементам нового поколения. Разработанные метаповерхности идеально подходят для создания плоских линз, многоспектральных зеркал и миниатюрных светоделителей. Эти решения находят особо широкое применение в интегральной оптике, где важно интегрировать множество функций в едином чипе. Как подчеркивает Михаил Губин, команда целенаправленно движется к тому, чтобы эти метаповерхности стали стандартными «кирпичиками» фотонной электроники будущего. Это имеет принципиальное значение для компоновки мини-компьютеров, медицинских приборов, оптических сенсоров и других высокотехнологичных систем.
Технологии производства: инновации и оптимизация
В настоящее время для получения метаповерхностей с резолюцией несколько нанометров широко применяется метод электронно-лучевой литографии — дорогой и сложный, но высокоточный способ, аналогичный изготовлению современных интегральных микросхем. Однако исследовательская группа активно работает над альтернативными технологиями, чтобы сделать массовое производство наноструктур доступнее, универсальнее и экономичнее — например, отрабатываются новые методы лазерного переноса и новые комбинации материалов.
Вклад Алексея Прохорова, Михаила Губина и их коллег уже сегодня позволяет увидеть будущее оптики гораздо ярче. Благодаря их изысканиям открываются масштабные возможности для интеграции сложных оптических функций в портативных устройствах, медицинском оборудовании и системах телекоммуникации, что в целом знаменует новый этап в развитии технологий взаимодействия света и вещества.
Источник: naked-science.ru
