Наблюдение «обратного фазового синхронизма» — явления, также известного как «нелинейное зеркало» — предоставило доказательство того, что этот новый тип метаматериала был создан. О демонстрации этого явления сообщили исследователи из Технологического института Джорджии в статье, опубликованной 15 июня в журнале Nature Materials.
Хотя само по себе открытие может иметь мало непосредственных практических применений, реализация материала, предсказанного теоретиками, является важной вехой, которая может привести к новым областям исследований и побудить к переоценке фундаментальных правил, регулирующих нелинейную оптику.
«Нелинейная оптика критически важна для управления светом для обработки информации, восприятия и генерации сигналов», — сказал Веншан Цай, доцент Школы электротехники и компьютерной инженерии Технологического института Джорджии, возглавлявший исследовательскую группу. «Наши усилия существенно расширяют сферу нелинейных взаимодействий света и вещества в искусственно структурированных средах с специально спроектированными, нетрадиционными линейными параметрами и параметрами материалов высокого порядка.’
Спроектированные метаматериалы обладают уникальными свойствами, недоступными для природных материалов. Это особенно полезно в нелинейной оптике, где материалы с нетрадиционными свойствами могут иметь значение везде, где необходимо активно контролировать свет.
Исследователи из нескольких институтов уже создали оптические метаматериалы, которые можно использовать для производства более эффективных солнечных элементов, более быстрых компьютерных чипов, улучшенных датчиков и даже маскировки для обеспечения невидимости.
«Линейные отклики метаматериалов существенно увеличили линейные свойства природных материалов», — отметил Кай, который также является преподавателем Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии. Точно так же исследования нелинейных метаматериалов могут иметь революционное влияние на область нелинейной оптики.
Нетрадиционные электромагнитные параметры, ставшие возможными благодаря метаматериалам, побудят нас переосмыслить и переоценить многие из установленных правил нелинейной оптики.’
Метаматериалы получают свои свойства от повторяющейся единичной структуры, а не составляющих материалов. В диапазоне частот между видимым и инфракрасным светом субволновые металлические структуры могут служить строительными блоками — по сути, метаатомами — для создания оптических материалов со свойствами, недоступными в прошлом.
Экспериментально исследователи изо всех сил пытались создать материал с отрицательным индексом — который был святым Граалем для исследований метаматериалов — с размером выборки, достаточно большим для тестирования. Они должны были адаптировать показатели преломления как для основной частоты, так и для гармонической частоты одновременно.
Исследовательская группа смогла продемонстрировать обратный фазовый синхронизм, используя две различные моды в нелинейном плазмонном волноводе, который был построен с тонкой диэлектрической прокладкой с относительно высоким показателем преломления, зажатой между двумя плоскими серебряными пленками. Большая диэлектрическая проницаемость в зазоре позволила четко разделить частоты поверхностного плазмона и объемного плазмона, в то время как узкий зазор отодвинул рабочую точку от частоты поверхностного плазмона и помог сбалансировать величины показателей преломления двух мод.
Волновод работал с реальной частью модовых показателей преломления 3.4 и -3.4 для основной и гармонической волн соответственно. Наблюдаемая пиковая эффективность преобразования на длине волны возбуждения около 780 нанометров указывает на выполнение условия фазового синхронизма, при котором когерентная гармоническая волна возникает в направлении, противоположном направлению падающего основного света, сообщают исследователи в своей статье.
Исследовательская группа провела комплексный набор измерений, чтобы экспериментально подтвердить явление обратного фазового синхронизма в волноводе.
«Мы предложили умную схему, которая позволила нам экспериментально достичь условия обратного фазового синхронизма реалистичным способом», — пояснил Цай. «Экспериментальная демонстрация обратного фазового синхронизма в метаматериалах с отрицательным показателем преломления считалась чрезвычайно сложной задачей, поэтому на ее реализацию ушло почти десять лет.’
Фазовое согласование является стандартным методом для достижения эффективной генерации частоты с помощью нелинейной оптики, обычно достигается за счет точной настройки ориентации или температуры нелинейного кристалла, отметил Кай. При генерации второй гармоники — нелинейный процесс удвоения частоты света — фазовый синхронизм требует, чтобы показатели преломления исходной (основной) и удвоенной (гармонической) частот были идентичны. Таким образом, основной свет будет постепенно преобразовываться в свою гармонику по направлению распространения, а выходной гармонический свет будет совместно распространяться в том же направлении.
Помимо Цая, в исследовательскую группу входил первый автор Шоуфэн Лан, аспирант Школы электротехники и вычислительной техники. Другими соавторами являются Лей Канг, Шон Родригес и Юнхао Цуй из Технологического института Джорджии, а также Дэвид Шон и Марк Бронгерсма из Лаборатории перспективных материалов Гебалле в Стэнфордском университете.
Что впереди для исследований в этой области?
«Помимо обратного согласования фаз, есть много других интересных явлений в нелинейных метаматериалах, ожидающих исследования», — сказал Цай. «Возможность конструировать нестандартные нелинейные материалы, которая возможна в метаматериалах, обязательно откроет совершенно новые перспективы для нелинейных взаимодействий света и материи.’