Почти десять лет назад инженеры Гарварда представили первые в мире метаповерхности для видимого спектра, положив начало революции в оптике. Эти ультратонкие плоские устройства, покрытые наноструктурами, позволяют точно управлять светом (длиной волны, фазой, поляризацией), предлагая компактную альтернативу громоздким традиционным компонентам, таким как изогнутые линзы из стекла или пластика. Технология металинз (плоских линз), лицензированная через Офис технологического развития Гарварда, легла в основу компании М⃰lenz, основанной командой Федерико Капассо, и уже продемонстрировала свой потенциал в эндоскопах, искусственных глазах и телескопах.
Однако однослойные метаповерхности имеют ограничения: для управления поведением света они часто предъявляют специфические требования к его поляризации, что сужает их функциональность в некоторых приложениях. Для преодоления этого барьера требовался новый подход к структурированию материала на наноуровне.
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали инновационную двухслойную метаповерхность. Эта структура состоит из двух тщательно выровненных слоев наноструктур из диоксида титана. Под микроскопом она напоминает плотный массив ступенчатых небоскребов нанометрового масштаба.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Ведущую роль в работе сыграли Федерико Капассо, профессор прикладной физики имени Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник в области электротехники имени Винтона Хейса в SEAS, аспирант и со-ведущий автор Альфонсо Пальмиери, а также бывшие постдокторанты Ахмед Дорра и Джун-Су Пак.
Федерико Капассо подчеркивает значимость разработки: «Это достижение нанотехнологии на высшем уровне. Оно открывает совершенно новый способ структурирования света и беспрецедентные возможности для инженерии всех его аспектов — длины волны, фазы и поляризации. Это знаменует собой новый путь для метаповерхностей».
Основной сложностью, ранее исследованной лишь теоретически, было изготовление таких многослойных структур. Команда разработала процесс, позволяющий создавать прочные, отдельно стоящие двухслойные структуры, которые удерживаются вместе, но не взаимодействуют химически друг с другом. Работы проводились в Центре наносистем Гарварда. Хотя многоуровневое формирование рисунка широко применяется в кремниевой полупроводниковой промышленности, в оптике и метаоптике оно исследовано значительно меньше.
Новая двухслойная архитектура позволяет контролировать многие формы поляризованного света значительно эффективнее, чем однослойные аналоги. Это открывает путь к созданию новых типов многофункциональных оптических устройств. Как отмечает Альфонсо Пальмиери, такая метаповерхность может, например, проецировать разные изображения в зависимости от того, с какой стороны на нее падает свет.
В качестве демонстрации возможностей технологии исследователи использовали двухслойную металинзу для воспроизведения функции сложной оптической системы, состоящей из волновых пластин и зеркал, управляющей поляризованным светом. Эксперимент подтвердил расширенные возможности контроля над поляризацией.
В перспективе технология может быть расширена и на большее количество слоев. Исследователи ставят цели по достижению контроля над другими аспектами света, созданию устройств с чрезвычайно широким рабочим диапазоном частот и высокой эффективностью во всем видимом и ближнем инфракрасном спектре, открывая двери для еще более сложных световых технологий в компактных форм-факторах.
Однако однослойные метаповерхности имеют ограничения: для управления поведением света они часто предъявляют специфические требования к его поляризации, что сужает их функциональность в некоторых приложениях. Для преодоления этого барьера требовался новый подход к структурированию материала на наноуровне.
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали инновационную двухслойную метаповерхность. Эта структура состоит из двух тщательно выровненных слоев наноструктур из диоксида титана. Под микроскопом она напоминает плотный массив ступенчатых небоскребов нанометрового масштаба.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Ведущую роль в работе сыграли Федерико Капассо, профессор прикладной физики имени Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник в области электротехники имени Винтона Хейса в SEAS, аспирант и со-ведущий автор Альфонсо Пальмиери, а также бывшие постдокторанты Ахмед Дорра и Джун-Су Пак.
Федерико Капассо подчеркивает значимость разработки: «Это достижение нанотехнологии на высшем уровне. Оно открывает совершенно новый способ структурирования света и беспрецедентные возможности для инженерии всех его аспектов — длины волны, фазы и поляризации. Это знаменует собой новый путь для метаповерхностей».
Основной сложностью, ранее исследованной лишь теоретически, было изготовление таких многослойных структур. Команда разработала процесс, позволяющий создавать прочные, отдельно стоящие двухслойные структуры, которые удерживаются вместе, но не взаимодействуют химически друг с другом. Работы проводились в Центре наносистем Гарварда. Хотя многоуровневое формирование рисунка широко применяется в кремниевой полупроводниковой промышленности, в оптике и метаоптике оно исследовано значительно меньше.
Новая двухслойная архитектура позволяет контролировать многие формы поляризованного света значительно эффективнее, чем однослойные аналоги. Это открывает путь к созданию новых типов многофункциональных оптических устройств. Как отмечает Альфонсо Пальмиери, такая метаповерхность может, например, проецировать разные изображения в зависимости от того, с какой стороны на нее падает свет.
В качестве демонстрации возможностей технологии исследователи использовали двухслойную металинзу для воспроизведения функции сложной оптической системы, состоящей из волновых пластин и зеркал, управляющей поляризованным светом. Эксперимент подтвердил расширенные возможности контроля над поляризацией.
В перспективе технология может быть расширена и на большее количество слоев. Исследователи ставят цели по достижению контроля над другими аспектами света, созданию устройств с чрезвычайно широким рабочим диапазоном частот и высокой эффективностью во всем видимом и ближнем инфракрасном спектре, открывая двери для еще более сложных световых технологий в компактных форм-факторах.