Метаповерхность из наночастиц открыла новые возможности в управлении светом

❋ 4.5

Ученые разработали особое зеркало из наночастиц (тримеров), которое может эффективно отражать свет (76-92%) в определенном диапазоне (около 1500 нанометров). Благодаря взаимодействию частиц возникают резонансные эффекты, что позволяет управлять светом на микроуровне. Такие метаповерхности могут заменить традиционные оптические элементы (линзы, зеркала) в миниатюрных устройствах, например, в чипах для фотоники или датчиках. Это упростит и удешевит производство компактной оптики.

ФизТех

# зеркало

# Линза

# метаповерхность

# наночастицы

# чип

(а) — Модель неправильной метаповерхности, состоящей из WS2/MoS2 тримеров, с различными периодами по осям x и y; (d) — Приведенные для соответствующих мод длин волн λ1,2(N/S) распределения интенсивности электрической компоненты ближнего поля в тримере из состава метаповерхности / © Шестериков А. В., «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики»

Результаты опубликованы в журнале «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики». Оптические метаповерхности — это искусственные структуры, состоящие из наночастиц субволнового размера. Настраивая их размер и положение, можно манипулировать светом на микро и наноуровне, например, менять его фазу или поляризацию. Особый интерес представляют оптические метаповерхности, состоящие из кластеров наночастиц — олигомеров. В таких системах, варьируя химический состав, форму и взаимное расположение частиц, возможно получить новые оптические эффекты, например, генерацию и усиление кратных гармоник или круговой дихроизм.

Диэлектрические метаповерхности создают из оптически-прозрачных материалов с высоким показателем преломления. Наночастицы могут быть разнообразных форм: диски, призмы и сферы. Дополнительно их можно объединять в геометрические структуры, такие как димеры, тримеры и квадрумеры. Такой подход увеличивает число степеней свободы для настройки оптических свойств метаповерхностей. Диэлектрические метаповерхности используются при создании пространственных модуляторов света, компактных делителей оптического пучка, а также для проектирования плоских зеркал, линз, светоделителей с настраиваемыми спектральными свойствами. Особое внимание уделяется их применению в сенсорных устройствах.

Физики из Владимира, Долгопрудного и Дубая смоделировали метаповерхность, строительные блоки которой состоят из тримеров сферических наночастиц одного размера, но различных Ван-дер-Ваальсовых материалов WS₂ и MoS₂. Исследователи расположили две наночастицы WS₂ и одну MoS₂ в вершины равнобедренного треугольника. Расстояния между частицами варьировалось до получения резонансного усиления света в спектральном диапазоне 1500 нм.

«Особенностью нашего исследования заключалась в том, что за основу мы взяли наночастицы из Ван-дер-Ваальсовых материалов. Они обладают сильной оптической анизотропией и высоким показателем преломления в оптическом диапазоне. Таких материалов достаточно много, поэтому, собирая наночастицы из различных Ван-дер-Ваальсовых материалов в блоки, можно настраивать их оптический отклик в очень широком частотном диапазоне.

Вторая и, может быть, главная особенность, в использовании исключительно сферических наночастиц для наших задач. Именно такую форму получают в процессе лазерного переноса, который мы сейчас пытаемся реализовать экспериментально», — рассказал Прохоров Алексей, профессор ВлГУ, ведущий научный сотрудник МФТИ.

Модель тримера на основе MoS₂ и WS₂ наночастиц / © Шестериков А. В., «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики».

Анализ оптических свойств показал, что метаповерхность обладает высоким коэффициентом отражения (76–92 %) в широком спектральном диапазоне. Из-за взаимодействия друг с другом WS₂ и MoS₂ частицы в тримере приобретают бианизотропный отклик, величина которого немного отлична для разных частиц. Это отличие приводит к возбуждению двух различных квазизапертых мод на длинах волн 1474 и 1557 нм. Концентрация света вблизи наночастиц усиливает оптические эффекты, приводит к сильной модуляции коэффициента отражения света от метаслоя.

Все эти свойства делают данную метаповерхность идеальным материалом для плоской оптики: для проектирования плоских зеркал, линз, светоделителей с настраиваемыми оптическими характеристиками.

«Назначение таких метаповерхностей в основном связано с развитием интегральной оптики. Когда сложные оптические схемы, состоящие из одиночных элементов, могут быть интегрированы на чипе. А разрабатываемые нами метаустройства станут основой функциональных частей», — объяснил Губин Михаил, старший научный сотрудник ВлГУ.

«Для производства оптических метаповерхностей с разрешением в несколько нанометров обычно используется электронная литография. Точно такая же, как та, с помощью которой сделаны интегральные схемы компьютера и телефона, в который вы сейчас смотрите. Но это сложная, дорогая и подчас недоступная технология. Поэтому мы не только изучаем альтернативные материалы, но и развиваем альтернативные методы производства оптических наноструктур», — добавил Прохоров Алексей.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.