Группа специалистов из ИТМО, Политехнического университета Милана и Университета Брешии разработала инновационный подход к управлению метаповерхностями с использованием световых импульсов. Благодаря предложенной методике стало возможным изменение оптических характеристик структур за фантастически короткие временные промежутки — буквально за триллионные доли секунды. Подобный рывок в управлении светом открывает новые горизонты для передачи информации, фотонных вычислений и разработки сенсоров нового поколения.
Преимущества оптических решений вместо электрических сигналов
Сегодняшние коммуникационные технологии в основном опираются на электрический сигнал, однако мировой научный прогресс все настойчивее подталкивает к переходу на чисто оптические системы. Передача света обладает существенным преимуществом: скорость прохождения световых сигналов значительно превышает скорость электронов, а энергозатраты резко снижаются. Ключевым элементом этих технологий становятся метаповерхности — ультратонкие наноматериалы, способные управлять взаимодействием с электромагнитными волнами с беспрецедентной точностью. Тем не менее, до сих пор изменить состояние таких структур удавалось лишь за наносекунды или десятые доли пикосекунды. Создание технологий, ускоряющих этот процесс, становится приоритетом научного сообщества всего мира.
Прорыв: лазерное управление метаповерхностями на базе AlGaAs
Выдающееся научное достижение команды связано с использованием коротких лазерных импульсов: предложено освещать структуру с помощью контролируемого светового воздействия. Базой инновационного решения стала метаповерхность на основе алюмогаллия-арсенида (AlGaAs) на сапфировом основании. Когда её облучают коротким всплеском лазера, симметрия наноструктуры нарушается, что мгновенно открывает путь для изменений в оптических свойствах. Как только импульс прекращается, структура возвращается в исходное состояние.
Этот эффект подробно рассчитан и теоретически подтверждён, а подход успешно опробован в тесном научном сотрудничестве с профессорами К. Де Анджелисом (Университет Брешии) и Д. Делла Валле (Политехнический университет Милана). Именно такие коллаборации становятся основой инноваций будущего.
Сверхбыстрое переключение: видимый спектр и простота реализации
Новизна предложенной методики заключается ещё и в том, что переключение осуществляется в видимом диапазоне спектра. При этом не требуется создания сложных многослойных наноматериалов или внедрения громоздких электрических схем. Инженерное решение опирается на механику «зонда-накачки» — переменный управляющий импульс аккуратно изменяет свойства исследуемого канала, а переключение происходит практически мгновенно, в пределах долей пикосекунд. Такой подход легко интегрируется в современные технологические процессы, что делает его еще более привлекательным для ученых и инженеров по всему миру.
Потенциал для новых устройств и отраслей
Управление световыми потоками на подобных скоростях создаёт фундамент для принципиально новых оптических устройств. Это могут быть ультрабыстрые оптические переключатели для сверхскоростных коммуникаций, процессоры для фотонных компьютеров с минимальным потреблением энергии, а также медикаментозные и диагностические датчики с уникальной точностью. Не исключено, что подобные технологии откроют новую эру для камер, способных работать в невидимых диапазонах, а также сделают голографию и системы дополненной и виртуальной реальности особенно реалистичными и чёткими. Таким образом, открытия повышают качество и скорость обмена информацией в самых разных сферах — от здравоохранения до развлекательных технологий.
Михаил Петров: оптические методы меняют облик вычислений
Как подчеркнул Михаил Петров, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО, уже сегодня частота работы классических электронных процессоров достигла потолка — около 3-4 гигагерц, тогда как оптические системы способны работать на частотах, превышающих их в тысячи раз — речь идёт о терагерцах. Это открывает колоссальные возможности для создания быстродействующих сетей и вычислительных систем. Кроме того, отмечается, что новая концепция может быть адаптирована для метаповерхностей на основе других материалов, например, кремния, который широко используется в фотонных и полупроводниковых системах.
Хотя нынешняя работа выполнена на основе теоретических расчетов, в ближайшее время запланированы эксперименты, которые подтвердят возможности предложенной методики на практике. Таким образом, научная команда уверена в высокой прикладной значимости своей инновации и видит в ней важный шаг в будущее современной фотоники.
Наука движется вперёд: поддержка и перспективы
Проект проводится при поддержке программы «Приоритет 2030» в рамках ведущей лаборатории «Нанофотонные метаструктуры для сверхбыстрых оптических вычислений». Благодаря синергии международных научных коллективов и поддержке инновационных инициатив, Россия и её партнеры занимают лидирующие позиции в области фотонных и нанотехнологий.
Умелое комбинирование научных идей из ИТМО, Политехнического университета Милана и Университета Брешии открывает вдохновляющие возможности для создания интуитивно понятных и сверхскоростных устройств нового поколения, а также задает тренды в развитии технологий, которые уже совсем скоро найдут применение в повседневной жизни.
