Метазеркало нового поколения: как управлять светом на наноуровне

Физики из Владимира, Долгопрудного и Дубая разработали уникальное спектрально-селективное метазеркало — тонкую наноструктурированную поверхность, которая отражает свет в заданном диапазоне длин волн. Это решение открывает новые перспективы для плоской оптики с настраиваемыми характеристиками. Результаты опубликованы в журнале Письма в ЖЭТФ.

Что такое метаповерхности и зачем они нужны
Метаповерхности — это искусственные покрытия, состоящие из наночастиц меньше длины волны света. Управляя их формой, размером и расположением, можно изменять свойства света: его фазу, поляризацию, направление распространения. Особенно интересны метаповерхности из кластеров наночастиц — олигомеров. Их конфигурация способна создавать уникальные эффекты, например, усиливать кратные гармоники или вызывать круговой дихроизм.
В случае диэлектрических метаповерхностей наночастицы делают из прозрачных материалов с высоким показателем преломления. Их форма может быть самой разной — от дисков до сфер, а комбинации частиц (димеры, тримеры, квадрумеры) дают дополнительные степени свободы для тонкой настройки оптических свойств. Такие структуры применяют для создания компактных линз, зеркал, светоделителей и сенсоров.
Тримеры из ван-дер-ваальсовых материаловВ новой работе ученые смоделировали метаповерхность, каждая «ячейка» которой состоит из тримеров — трех сферических наночастиц одного размера, но из разных материалов WS₂ и MoS₂. Две частицы WS₂ и одна MoS₂ расположены в вершинах равнобедренного треугольника, а расстояния между ними подобраны так, чтобы добиться резонансного усиления света в области 1500 нм.

«Ван-дер-ваальсовые материалы обладают сильной оптической анизотропией и высоким показателем преломления. Таких материалов много, и комбинируя их, можно гибко настраивать отклик в широком диапазоне частот. Второй важный момент — мы использовали исключительно сферические наночастицы, которые можно получать методом лазерного переноса, и сейчас мы проверяем этот подход экспериментально», — поясняет Алексей Прохоров, профессор ВлГУ и главный научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Результаты моделирования
Анализ показал, что разработанная метаповерхность отражает 76–92 % света в широком диапазоне длин волн. За счет взаимодействия материалов в тримере возникает бианизотропный отклик, который приводит к возбуждению двух разных квазизапертых мод на длинах волн 1474 и 1557 нм. Вблизи наночастиц происходит концентрация света, что усиливает оптические эффекты и позволяет значительно модулировать коэффициент отражения.

По словам Михаила Губина, старшего научного сотрудника ВлГУ, такие метаповерхности особенно перспективны для интегральной оптики — когда сложные оптические схемы можно разместить прямо на чипе.

Обычно для создания таких структур требуется электронная литография — сложная и дорогая технология, применяемая при производстве компьютерных микросхем. «Мы ищем не только новые материалы, но и более доступные способы производства наноструктур, которые могли бы заменить дорогостоящее оборудование», — добавляет Алексей Прохоров.
Новое метазеркало сочетает высокую отражательную способность, точную спектральную настройку и перспективу масштабного производства. Это шаг к компактным, высокоточным и энергоэффективным оптическим системам будущего.

Источник: Новое метазеркало для плоской оптики со спектрально-селективными свойствами — За науку