«Метаповерхности позволяют добиться очень многих интересных эффектов в управлении светом, — рассказывает старший научный сотрудник Нового Физтеха Университета ИТМО Иван Синев. — Однако у них есть проблема — все их свойства закладываются в момент производства и дальше остаются неизменными. Для устройств практического применения хотелось бы этими свойствами управлять не только в момент создания, но и по мере использования».
В поисках материала для такой адаптивной оптики исследователи из Университета ИТМО, имеющие большой опыт в работе с кремниевыми метаповерхностями, объединились с коллегами из английского Университета Эксетера, которые давно исследуют материалы с фазовой памятью. К таким веществам относятся, к примеру, соединения германия, сурьмы и теллура (GeSbTe), которые часто используются в DVD-дисках.
«Мы сделали расчеты того, как должен выглядеть новый композитный материал на основе кремния, — рассказывает инженер Нового Физтеха Павел Трофимов, — вставка из GeSbTe у нас представлена в виде тонкого слоя между двумя слоями кремния. Получается такой бутерброд — сначала на исходную подложку напыляется кремний, затем слой материала с фазовой памятью, затем снова кремний».
Затем при помощи электронной литографии ученые получили массивы микроскопических гибридных дисков — метаповерхность, с которой уже и работали в лаборатории, проверяя ее свойства для управления светом. Как и ожидалось, совмещение двух материалов дало очень важный эффект — уровень прозрачности получившейся поверхности можно было менять по ходу эксперимента. Дело в том, что у кремниевого диска есть в ближней инфракрасной зоне два оптических резонанса, которые позволяют особенно сильно отражать направленный на поверхность ИК-луч. Слой GeSbTe позволил при определенных условиях «выключать» один из этих резонансов, делая диск практически полностью прозрачным для света в ближнем инфракрасном спектре. Результаты работы исследователей попали на обложку журнала Optica.
Материалы с функциональной памятью имеют два состояния — кристаллическое, с жесткой упорядоченной структурой атомов, и аморфное. Если находящийся в центре метаматериала слой GeSbTe будет пребывать в кристаллическом состоянии, то второй резонанс пропадет, если же в аморфном, то диск по‑прежнему будет отражать ИК-лучи.
«Чтобы переключать метаповерхность между двумя состояниями мы использовали импульсный лазер с достаточно высокой энергией, — рассказывает Трофимов, — короткий лазерный импульс нагревает слой GeSbTe до температуры плавления, после чего тот быстро остывает и аморфизуется. Если же на диск воздействовать серией коротких импульсов, то он остывает медленнее, застывая в кристаллической структуре».
Свойства новой метаповерхности могут пригодиться для самых разных применений. Прежде всего, это создание лидаров, устройств, сканирующих пространство с помощью излучения и приема отраженных объектами ИК-импульсов. Также потенциально принцип их создания можно взять за основу при производстве специальных сверхтонких линз для фотообъективов, к примеру, установленных в мобильных телефонах.
