Australijski zespół badawczy opracował technologię umożliwiającą dynamiczne sterowanie światłem widzialnym w sposób wcześniej nieosiągalny. Rezultatem ich pracy jest wzorzysta warstwa materiału o grubości ułamka włosa, która może stać się podstawą dla zupełnie nowej generacji urządzeń optycznych.
Natura jako nauczyciel optyki
Sekret jaskrawości motylich skrzydeł tkwi w sprytnym dwuczęściowym systemie biologicznym. Przezroczyste nanostruktury odbijają niebieskie światło, podczas gdy warstwa ciemnej melaniny pochłania rozproszone promienie. Mechanizm działa podobnie jak diament na czarnym aksamicie – ciemne tło sprawia, że blask staje się bardziej olśniewający.
Czytaj także: Nadchodzą leki sterowane światłem. To może być przyszłość medycyny
Badacze z Australijskiego Centrum Doskonałości dla Transformatywnych Systemów Meta-Optycznych wykorzystali tę inspirację do stworzenia meta-powierzchni – wzorzystej warstwy materiału zdolnej kontrolować właściwości światła w sposób niemożliwy dla tradycyjnych materiałów.
Meta-powierzchnia z dichalkogenków metali przejściowych
Technologia bazuje na kryształach wykonanych z dichalkogenków metali przejściowych, czyli materiałów wykazujących silne właściwości półprzewodnikowe i ekstremalnie intensywne interakcje światło-materia. Te zaawansowane materiały charakteryzują się tworzeniem ekscytonów – quasi-cząstek odpowiedzialnych za intensywną absorpcję światła.
Kluczowym osiągnięciem okazało się dynamiczne włączanie i wyłączanie efektów nieliniowych poprzez zmianę polaryzacji światła wejściowego oraz ich precyzyjne strojenie za pomocą modyfikacji temperatury materiału.
Pokonanie fundamentalnych ograniczeń
W swojej naturalnej formie krystalicznej dichalkogenki metali przejściowych borykają się z dwoma poważnymi problemami. Są nieprzezroczyste dla światła widzialnego, co ogranicza ich zastosowanie głównie do telekomunikacji wykorzystującej podczerwień. Dodatkowo ich symetryczna struktura krystaliczna tłumi kluczowe procesy konwersji nieliniowej, szczególnie generację drugiego rezonansu harmonicznego.
Naukowcy obeszli te ograniczenia, wykorzystując laser pompujący o długości fali bliskiej podczerwieni, który może przeniknąć do materiału bez absorpcji. Zaprojektowali również specjalny rezonans typu quasi-związany stan w kontinuum przy długości 1220 nanometrów, który generuje zazwyczaj słabą generację drugiego rezonansu harmonicznego przy 610 nanometrach – dokładnie w zakresie światła widzialnego.
Wyniki eksperymentalne
Pierwsze testy z dwusiarczkiem wolframu przyniosły imponujące rezultaty. Badacze osiągnęli dwukrotne zwiększenie wzmocnienia w porównaniu do monowarstwy materiału i aż czterokrotne zwiększenie względem nieuporządkowanej folii masowej – wszystko w widmie widzialnym.
Jeszcze bardziej fascynujące okazały się możliwości dynamicznego strojenia. Zmiana temperatury między -100 a 100 stopni Celsjusza przesunęła rezonans ekscytonu o około 20 nanometrów, co bezpośrednio modulowało intensywność generowanego światła nieliniowego.
Asymetria zaprojektowanych półksiężycowych struktur nadała metapowierzchni odpowiedź polaryzacyjną – poprzez zmianę polaryzacji światła pompującego można włączać lub wyłączać rezonans, kontrolując tym samym intensywność nieliniowego światła.
Perspektywy zastosowań
Potencjalne zastosowania tej technologii są niezwykle szerokie i obejmują adaptacyjny kamuflaż, biosensoring, kwantowe silniki światła dla obliczeń na chipie oraz bezpieczną komunikację kwantową. Technologia noktowizyjna mogłaby wykorzystywać konwersję światła podczerwonego na widzialne, podczas gdy rekonfigurowalne holograficzne soczewki AR/VR oferowałyby ultracienkie rozwiązania optyczne. Najbardziej futurystyczne zastosowania dotyczą interfejsów neuronowych, gdzie interakcja światło-materiał może być dynamicznie strojona w czasie rzeczywistym.
Kluczową zaletą dichalkogenków metali przejściowych jest możliwość bezproblemowej integracji z technologią chipów krzemowych, co daje nadzieję na tanią i praktyczną skalowalność całego rozwiązania. Strategia opracowana przez naukowców jest uniwersalna – quasi-związane stany w kontinuum można wzbudzać w materiałach w różnych postaciach: masowych, wielowarstwowych, a nawet monowarstwowych.
Badania opublikowane w Science Advances otwierają drogę do wykorzystania dichalkogenków metali przejściowych do generacji drugiego rezonansu harmonicznego w szerokim zakresie widma widzialnego z wydajnością nigdy wcześniej nieosiągniętą. To przybliża nas o krok do praktycznej realizacji szybkich, strojonych elementów optycznych – technologii, które dosłownie mogą sprawić, że niewidzialne stanie się widzialne.