В основе ультратонкого и гибко настраиваемого устройства лежит зонная пластина Френеля — плоский вариант линзы толщиной всего 40 нм, состоящий из нанотрубок. Управляет их свойствами слабый ток, проходящий через окружающую пластину электрохимическую ячейку. Прототип «умной» линзы уже прошел лабораторные испытания и запатентован, а научный коллектив работает над увеличением скорости отклика системы и сборками из нескольких линз с независимо управляемыми фокусами.
В работе участвовали сотрудники Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ, Сколтеха, ИТМО, ИОФ РАН, ИФТТ РАН и научных центров Китая и ОАЭ.
«Терагерцовый диапазон длин волн — это один из наименее изученных диапазонов спектра электромагнитного излучения. Именно поэтому перед научным сообществом стоит проблема нехватки элементной базы, в частности, для фокусировки терагерцового излучения. В классических схемах для управления терагерцовым излучением используются статичные линзы, кремниевые или TPX, со статично заданными параметрами интенсивности, фокуса и т. п. Основной мотивацией к нашей работе была возможность динамического контроля линзы. Она открывает возможность для адаптивной оптики в медицине, системах безопасности и связи будущего. Например, представьте медицинский аппарат, который импульсно подаёт излучение для исследования влияния отклика биологических тканей на мощность терагерцового излучения. Или систему связи 6G, которая динамически распределяет мощность между пользователями в толпе так, чтобы у всех был стабильный сигнал. Кроме того, динамическая перестройка интенсивности — это основа модуляции терагерцового излучения, необходимая для систем телекоммуникаций. Наше изобретение — шаг к тому, чтобы воплотить эти технологии в реальность», — рассказала Мария Бурданова, старший научный сотрудник Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ.
Терагерцовые волны находятся в особой «нише» электромагнитного спектра. Они с лёгкостью проникают сквозь неметаллические материалы, оставаясь при этом абсолютно безопасными для живых клеток. Это свойство делает их безопасной альтернативой рентгену, позволяющей «заглянуть» внутрь организма, не причиняя ему вреда. Кроме того, гигантская пропускная способность терагерца необходима для устройств сотовой связи 6G, скорость которой в десятки и сотни раз выше, чем у 5G.
Однако в мире до сих пор не существует гибких и компактных систем управления терагерцовыми волнами, в частности, динамически настраиваемых линз. Существующие устройства для их фокусировки — статичные, громоздкие и негибкие конструкции. Их свойства жёстко заданы при изготовлении.
Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые создали ультратонкую и гибко настраиваемую линзу на основе углеродных нанотрубок. В ее основе лежит зонная пластина Френеля, интегрированная в электрохимическую ячейку: между двумя кварцевыми пластинками заключён тонкий слой ионной жидкости и плёнка из нанотрубок с нанесённым на нее рисунком из концентрических колец. Изнутри к ней подключены контакты из золота, которые работают как электроды.
Толщина активного слоя из нанотрубок — 40 нанометров, это в тысячи раз тоньше человеческого волоса.
«Углеродные нанотрубки не единственный материал, который способен обеспечивать изменение характеристик в широких пределах за счёт внешних полей. Тем не менее, по сравнению с другими „кандидатами“, нанотрубки по совокупности масштабируемости, технологичности, эффективности устройств и так далее выглядят оптимальным и перспективным решением. Нашей команде удалось обеспечить настройку материала на разных уровнях — от атомарной упаковки до нового и одностадийного метода создания узоров, который открывает удивительные возможности для нашей науки и технологий в будущем», — объяснил старший преподаватель Сколтеха, к. х. н. Дмитрий Красников.
Если обычные линзы фокусируют свет за счёт разницы фаз, приводящей к жесткой и неизменной форме линзы, в дифракционном элементе, по типу плоской зонной пластины Френеля, свет направляется набором из концентрических колец. Словно фильтры, они пропускают только те волны, которые, складываясь и усиливая друг друга, создают четкую и сфокусированную точку.
Менять свойства такой линзы можно с помощью небольшого напряжения: если подать на контакты всего от -2 до +2 вольт, ионы в жидкости начинают движение, создавая двойной слой, как в конденсаторе, «накачивая» плёнку из нанотрубок электрическими зарядами. Это меняет её оптические свойства, делая её более «прозрачной» или «непрозрачной» для терагерцовых волн. В результате можно дистанционно и плавно регулировать интенсивность луча в фокусе в диапазоне от -20% до +15%.
«Как показывает опыт, наиболее впечатляющие результаты появляются на стыке наук. В данном случае команды из ИТМО, МФТИ и Сколтеха с совершенно разным набором компетенций в электрохимии, фотонике и науке о материалах смогли сложить удивительно красивый, а главное– актуальный и, надеемся, полезный пазл», — прокомментировал работу профессор РАН, профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Альберт Насибулин.
Ученые уже создали и успешно испытали в лаборатории прототип и запатентовали изобретение. Сейчас они работают над увеличением скорости отклика системы, экспериментируя с другими типами электролитов. В будущем они планируют создать многослойные структуры из линз с несколькими независимо управляемыми фокусами.
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и программы «Клевер»: совместные исследовательские проекты МФТИ, Физтех, Сколтеха и Университета ИТМО.
