Микроволновый метаматериал с иммунитетом к дефектам спроектировали в ИТМО

Физики ИТМО предложили способ создания оптических устройств, не теряющих своих свойств из-за случайных дефектов. Ученые спроектировали метаматериал, который работает как односторонняя линза для микроволн: фокусирует их в одном направлении и расфокусирует — при распространении обратно, сообщили в пресс-службе вуза.

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.

Спроектированная поверхность рассчитана на микроволны. С ними работать проще, чем с видимым светом. Все дело в длине волны: у микроволн она составляет сантиметры, а значит, детали структур, которые такими волнами управляют, могут быть крупными — миллиметровыми. В то же время для света понадобились бы элементы в сотни нанометров, что примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса, а изготовить такие мелкие детали гораздо труднее.

Метаматериал — это искусственная конструкция из множества деталей. Внешне разработанная структура выглядит как непрозрачная темная пластинка, однако микроволновое излучение проходит сквозь нее без препятствий. Ее детали — металлические провода и цилиндры — выполнены из особого материала, который реагирует на магнитное поле и управляет волной. В модели это поле создают обычные магниты, расположенные сбоку от поверхности. Под действием поля материал меняет свои свойства, а потому преобразует проходящую сквозь него волну. При этом магнитное поле распределяется в структуре так, что она в чем-то напоминает движущуюся среду. Поэтому свет распространяется в ней необычно.

«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.

«В нашей фронтирной лаборатории мы исследуем такие невзаимные структуры последние пять лет. Так, в прошлом году наша команда впервые предсказала новый тип невзаимного электромагнитного отклика, похожий на электродинамику аксионов — гипотетических частиц, из-за которых материал по-особому взаимодействует со светом. На поверхности материала под действием излучения возникают заряды, которые ведут себя как магниты с одним полюсом, хотя обычно магниты бывают только двухполюсными. Наша новая работа продолжает эту линию исследований. В последние годы ученые много работали над тем, чтобы уменьшить влияние дефектов на оптические свойства микро- и наноструктур. Наша работа демонстрирует новый способ решения этой проблемы. Пока мы предложили реализацию в микроволновом диапазоне. Но, возможно, это удастся перенести и на фотонные чипы», — рассказал руководитель фронтирной лаборатории, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Максим Горлач.

Работа выполнена при поддержке программы «Приоритет 2030» и Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.