Под контролем тепла: наноструктурированная поверхность позволила менять поляризацию света по команде
Международный коллектив ученых из Российского квантового центра, МФТИ, МГУ имени М.В. Ломоносова и Университета электронных наук и технологий Китая создал уникальную наноструктурированную поверхность, которая позволяет динамически управлять одним из фундаментальных свойств света — его поляризацией — с помощью обычного нагрева. Исследователи продемонстрировали, что можно не только изменять величину вращения плоскости поляризации света, но и его направление. Это открывает путь к созданию перестраиваемых оптических компонентов, сверхбыстрых модуляторов света и высокочувствительных сенсоров нового поколения.
Эффект Фарадея, открытый почти два века назад, описывает вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через материал, намагниченный вдоль направления распространения света под действием внешнего магнитного поля. Это явление лежит в основе важнейших оптических устройств, таких как оптические изоляторы, заставляющие свет двигаться только в одном направлении, подобно диоду в электронике. Однако в большинстве материалов магнитооптические свойства — константа, «зашитая» в их структуру при изготовлении. Создать материал, чьими магнитооптическими характеристиками можно было бы управлять «на лету», — одна из ключевых задач современной фотоники, решение которой позволит перейти от статичных оптических элементов к полностью реконфигурируемым системам.
Чтобы решить эту задачу, команда ученых обратилась к концепции метаповерхностей — искусственных структур, чьи оптические свойства определяются не столько химическим составом, сколько геометрией наноструктур на их поверхности. Исследователи создали своего рода наноразмерный «бутерброд»: на тонкую пленку из магнитного материала (феррит-граната, легированного диспрозием и церием) они нанесли упорядоченный массив крошечных цилиндров из кремния. Диаметр каждого цилиндра составляет всего 280 нанометров. Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.
Эти кремниевые наноцилиндры работают как резонаторы, захватывая свет и многократно усиливая его взаимодействие с магнитной пленкой. Благодаря этому даже слабые собственные магнитооптические эффекты пленки многократно возрастают на определенных резонансных длинах волн.
Ключевое открытие ученые сделали, начав нагревать созданный образец. Оказалось, что даже небольшое изменение температуры кардинально меняет поведение метаповерхности. В ходе эксперимента, нагревая структуру от комнатной температуры (294 К, или 21°C) до 488 К (215°C), физики наблюдали поразительный эффект. На длине волны света 945 нанометров при комнатной температуре поляризация поворачивалась в одну сторону (условно, «влево» на -0.3 градуса). Однако по мере нагрева угол поворота сначала уменьшался до нуля, а затем начинал расти в противоположном направлении, достигая положительного значения (+0.1 градуса) при максимальной температуре. Таким образом, ученые впервые продемонстрировали возможность полного обращения знака эффекта Фарадея с помощью внешнего управления.
Полина Зорина, аспирантка МФТИ, научный сотрудник Российского квантового центра, прокомментировала: «Обычно, когда мы создаем метаповерхность, ее свойства, включая магнитооптический отклик, заданы раз и навсегда геометрией наноструктур. Нам удалось «оживить» метаповерхность, сделав ее управляемой. Нагрев немного меняет оптические свойства кремния и граната, но из-за резонансной природы нашей структуры даже эти малые изменения приводят к гигантскому сдвигу в магнитооптическом отклике. Самое поразительное — мы смогли не просто «приглушить» или «усилить» эффект, а полностью инвертировать его знак, что ранее было невозможно сделать в динамическом режиме. Это открытие — не просто красивая физика, оно имеет огромное прикладное значение. Мы продемонстрировали, что можно управлять светом с помощью другого луча света, который просто нагревает нужный участок. Это основа для полностью оптических переключателей и модуляторов. Кроме того, такая чрезвычайная чувствительность к температуре делает нашу метаповерхность идеальной платформой для создания миниатюрных, сверхточных сенсоров, способных улавливать тысячные доли градуса».
Новизна работы заключается не только в самом факте управления, но и в способе его реализации. Поскольку нагрев можно осуществлять с помощью сфокусированного лазерного луча, появляется возможность локально изменять свойства метаповерхности в областях размером в единицы микрометров.
Сфокусированный лазерный луч позволяет создавать на одном и том же чипе сложные пространственные «узоры» из областей с разным магнитооптическим откликом, которые можно перерисовывать в реальном времени.
Практические применения предложенной метаповерхности многообразны. Помимо создания полностью оптических транзисторов, где один «управляющий» лазер меняет поляризацию другого, «сигнального», возможен и эффект самомодуляции. Достаточно мощный лазерный импульс может сам нагреть материал при прохождении через него и, таким образом, изменить свою собственную поляризацию. Кроме того, разработанная структура — высокочувствительный сенсор. Ее резонансы чувствительны не только к температуре, но и к показателю преломления окружающей среды, что позволяет детектировать присутствие мельчайших концентраций различных веществ в газе или жидкости. В будущем подобные управляемые метаповерхности могут стать ключевыми элементами для систем оптической обработки информации, лидаров и биосенсорных чипов.
Telegram 
Дзен 
VK Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Десятого мая 1940 года вермахт пришел в движение. Через 42 суток англо-французские армии были разгромлены, а Франция капитулировала. Как это произошло, ведь союзники имели больше солдат, танков и пушек, чем немцы? В СССР причиной посчитали нежелание французов воевать, немцы же, говорили советские военные, не внесли в стратегию ничего нового. Реальность была строго обратной: разгром Франции был новым словом в войне, и такой же сценарий Гитлер применил против СССР через год. Что именно произошло и отчего советское руководство не смогло осознать случившееся?
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Метеорный поток Эта-Аквариды достигнет своего максимума в ночь с 5 на 6 мая. Его частицы — осколки самой знаменитой кометы в истории, которая появляется над Землей раз в 76 лет. Ученый Пермского Политеха рассказал, как этот звездопад связан с кометой Галлея, почему у него есть «брат-близнец» и где лучше всего за ним наблюдать.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно