Теперь исследователи разработали новый вид метаматериала, свойства которого можно изменить одним щелчком переключателя. В своем экспериментальном эксперименте исследователи использовали теллурид германия-сурьмы (GST) — вид материала с фазовым переходом, обнаруживаемый на компакт-дисках и DVD-дисках — для создания улучшенной переключаемой метаповерхности, которая может блокировать или передавать определенные длины волн света на команда световых импульсов.
На этой неделе исследователи описывают метаматериал в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing, а также то, как его способность переключать свойства может использоваться в ряде сложных оптических устройств.
«Технологии, основанные на контроле и манипулировании светом, есть повсюду вокруг нас и имеют фундаментальное значение для современного общества», — сказал Кевин Макдональд, исследователь из Саутгемптонского университета в США.K. «Метаматериалы являются частью процесса поиска новых способов использования света и создания новых вещей с его помощью — они являются технологической платформой для оптики 21 века."
По его словам, динамически контролируя оптические свойства материалов, вы можете модулировать, выбирать или переключать характеристики световых лучей, такие как интенсивность, фаза, цвет и направление — способность, которая важна для многих существующих и потенциальных устройств.
Переключаемые метаматериалы в целом не новость.
Макдональд и многие другие ранее создавали такие материалы, комбинируя металлические метаматериалы с так называемыми активными средами, такими как GST, которые могут реагировать на внешние раздражители, такие как тепло, свет или электрическое поле. В этих гибридных материалах металлический компонент конструктивно спроектирован в нанометровом масштабе для обеспечения желаемых оптических свойств. Включение активной среды дает возможность настраивать или переключать эти свойства.
Проблема в том, что металлы имеют тенденцию поглощать свет в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн, что делает их непригодными для многих применений в оптических устройствах. В наноструктурированных металлах также подавляются точки плавления, что делает метаматериалы восприимчивыми к повреждению лазерными лучами.
Кроме того, типичным металлом является золото, которое несовместимо с технологией CMOS, которая повсеместно используется в производстве современных интегрированных устройств.
В новой работе Макдональд и его коллеги из Саутгемптонского исследовательского центра оптоэлектроники и Центра фотонных метаматериалов создали переключаемый метаматериал, в котором металл вообще не используется. «Сейчас мы структурируем сам материал фазового перехода», — сказал Макдональд. «Мы создали то, что известно как полностью диэлектрический метаматериал, с дополнительным преимуществом энергонезависимого переключения фазы GST."
Импульсы лазерного света могут изменять структуру GST между случайной, аморфной и кристаллической. Для GST это поведение энергонезависимо, что означает, что он будет оставаться в определенном состоянии, пока другой импульс не переключит его обратно. В перезаписываемых компакт-дисках и DVD-дисках это двоичное переключение, управляемое лазером, является основой для хранения данных.
Исследователи создали решетчатые узоры из метаматериала в аморфной пленке GST толщиной всего 300 нм с линиями на расстоянии от 750 до 950 нанометров. Этот межстрочный интервал позволяет поверхностям выборочно блокировать передачу света в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн (между 1300 и 1600 нм). Но когда зеленый лазер преобразует поверхности в кристаллическое состояние, они становятся прозрачными на этих длинах волн.
Команда исследователей сейчас работает над созданием метаматериалов, которые могут переключаться вперед и назад в течение многих циклов.
Они также планируют все более сложные конструкции для обеспечения более сложных оптических функций. Например, этот подход можно использовать для изготовления переключаемых ультратонких метаповерхностных линз и других плоских оптических компонентов.