Структура почти не замечает внутренние изъяны — волна проходит сквозь и не рассеивается на неровности. Такой материал может пригодиться в оптических вычислениях и системах передачи данных: например, в чипах, где волна должна идти в одном направлении, или в линиях связи, где дефекты не должны ослаблять сигнал.
Свет внутри материалов может рассеиваться и теряться из-за дефектов — случайных погрешностей в изготовлении структуры. С этой проблемой инженеры борются разными способами. Например, для этого используют топологические изоляторы. Внутри они не пропускают свет, но на их границе свет может распространяться. Такие структуры снижают влияние дефектов, но только у своей границы, где волна идет вдоль поверхности и обходит царапины, не рассеиваясь назад. В своей работе ученые из ИТМО Дмитрий Вагин и Максим Горлач предложили новое решение этой проблемы.
Исследователи разработали структуру, которая не только минимизирует влияние дефектов, но и необычным образом фокусирует свет. В обычной линзе путь лучей обратим: собирающая линза фокусирует свет независимо от того, с какой стороны она освещается. У новой структуры эта обратимость нарушена: она одновременно работает как собирающая и как рассеивающая линза — в зависимости от того, откуда падает свет. Этот эффект достигается за счет магнитного поля и специальной симметрии решетки структуры.
«Для управления волной в расчетах мы использовали иттриевый гранат — материал, который откликается на магнитное поле. Из него выполнены цилиндры. Когда волна падает на них с одной стороны, она проходит через структуру с одной задержкой, а с обратной стороны — с другой. Если менять магнитное поле, например приближая или удаляя магниты, эффект будет усиливаться или ослабляться. Таким методом можно увеличивать или уменьшать фокусное расстояние невзаимной линзы, которая фокусирует свет только с одной стороны, а с другой рассеивает», — объяснил первый автор статьи, магистрант Нового физтеха ИТМО Дмитрий Вагин.
С помощью численных расчетов ученые проверили, как материал ведет себя при падении волны с разных сторон. Расчеты также показали, что дефекты внутри структуры почти не влияют на прохождение волны. Сигналы, которые отражались случайным образом от деформированных и сдвинутых цилиндров и проводов, гасили друг друга из-за магнитного поля и асимметрии структуры.
На практике такой метаматериал может пригодиться в производстве фотонных интегральных схем — перспективной замены обычных микросхем, которые почти достигли предела миниатюризации. В таких схемах электроны заменены на фотоны, что повышает скорость работы и сокращает энергозатраты. Но дефекты при изготовлении встречаются слишком часто и портят функционал готовых устройств. Разработанная структура — шаг к решению этой проблемы. Такие фотонные чипы уже активно используются в некоторых дата-центрах: там через оборудование проходят огромные объемы данных, и фотоника помогает передавать их быстро.
Помимо защиты от дефектов, линза на основе разработанной структуры может пригодиться для сенсоров: обращенная наружу сторона расфокусирует свет извне — и сенсор не потеряет изображение из-за слишком яркого света.
Работа выполнена при поддержке программы «Приоритет 2030» и Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.