Круговая поляризация света, когда световые волны спирально движутся по часовой стрелке или против нее, играет важнейшую роль во множестве современных технологий. Однако традиционные методы генерации такого света требуют сложных и громоздких оптических систем. Это создает серьезные препятствия для миниатюризации оптических устройств, требуемой в современном мире.
Недавние разработки в области нанотехнологий привели к созданию ультратонких материалов, известных как метаповерхности. Эти структуры, обладающие необычными свойствами, которые не встречаются в природе, способны кардинально изменить наше понимание управления светом. Исследователи из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD) во главе с профессором Ву Лином, совместно с профессором Джоэлем Янгом и другими, представили инновационную метаповерхность толщиной всего один микрон. Она способна генерировать круговую поляризацию из произвольного оптического возбуждения, что открывает новые горизонты в мире оптики.
Ключевым моментом в конструкции этой метаповерхности является ее хиральность. Хиральность — это свойство объекта, который не совпадает со своим зеркальным отображением, аналогично различию между левой и правой руками. Взаимодействуя со светом, хиральные наноструктуры по-разному реагируют на левую и правую круговую поляризацию. Это свойство, в сочетании с вращательной симметрией, обеспечивает необходимую трансформацию света.
Нелинейность метаповерхности также играет важную роль. В отличие от линейных метаповерхностей, нелинейная метаповерхность не только способна избирать и усиливать поляризацию, но и преобразовывать ее в другую частоту, процесс известный как преобразование частоты вверх. Это означает, что можно, например, перевести видимый свет в ультрафиолетовый диапазон, открывая новые возможности для применения.
Уникальный дизайн метаповерхности с периодическими элементами, расположенными со скручиванием, подобно виткам винта, позволяет достичь исключительной компактности. Дополнительно, путем укладки нескольких слоев (всего двух) достигается максимальный хиральный отклик. Эти особенности делают метаповерхность не только эффективной, но и исключительно компактной, что является важным преимуществом перед традиционными громоздкими оптическими системами.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters под названием "Enabling all-to-circular polarization up-conversion by nonlinear chiral metasurfaces with rotational symmetry" Дмитрием Громыко и соавторами (DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.023804), демонстрируют потенциал нового подхода. Предполагаемая дата публикации – 2025 год. Дополнительные материалы доступны в архиве arXiv (DOI: 10.48550/arxiv.2407).
Эта разработка, выполненная в SUTD, является ярким примером междисциплинарного подхода, сочетающего в себе технологические достижения и передовые конструкторские решения. Это доказывает, что фундаментальные теоретические концепции могут быть успешно воплощены в реальные, функциональные устройства.
Разработанная метаповерхность открывает перспективы для миниатюризации оптических устройств, таких как микроскопы, а также для создания более компактных и эффективных спектроскопических приборов. Более того, она может найти применение в хиральном сенсинге, что позволит с большей точностью определять структуру и характеристики хиральных молекул. Использование эффекта кругового дихроизма, связанного с разницей в поглощении лево- и право-циркулярно поляризованного света, станет более доступным и эффективным благодаря этой технологии.
Исследователи продолжают работу над экспериментальной проверкой эффекта преобразования любого типа поляризации света в круговую поляризацию. Если их эксперименты подтвердят теоретические выкладки, то эта метаповерхность может стать прорывом в области оптики, открыв путь к созданию более компактных и мощных оптических устройств.
Изображение носит иллюстративный характер
Недавние разработки в области нанотехнологий привели к созданию ультратонких материалов, известных как метаповерхности. Эти структуры, обладающие необычными свойствами, которые не встречаются в природе, способны кардинально изменить наше понимание управления светом. Исследователи из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD) во главе с профессором Ву Лином, совместно с профессором Джоэлем Янгом и другими, представили инновационную метаповерхность толщиной всего один микрон. Она способна генерировать круговую поляризацию из произвольного оптического возбуждения, что открывает новые горизонты в мире оптики.
Ключевым моментом в конструкции этой метаповерхности является ее хиральность. Хиральность — это свойство объекта, который не совпадает со своим зеркальным отображением, аналогично различию между левой и правой руками. Взаимодействуя со светом, хиральные наноструктуры по-разному реагируют на левую и правую круговую поляризацию. Это свойство, в сочетании с вращательной симметрией, обеспечивает необходимую трансформацию света.
Нелинейность метаповерхности также играет важную роль. В отличие от линейных метаповерхностей, нелинейная метаповерхность не только способна избирать и усиливать поляризацию, но и преобразовывать ее в другую частоту, процесс известный как преобразование частоты вверх. Это означает, что можно, например, перевести видимый свет в ультрафиолетовый диапазон, открывая новые возможности для применения.
Уникальный дизайн метаповерхности с периодическими элементами, расположенными со скручиванием, подобно виткам винта, позволяет достичь исключительной компактности. Дополнительно, путем укладки нескольких слоев (всего двух) достигается максимальный хиральный отклик. Эти особенности делают метаповерхность не только эффективной, но и исключительно компактной, что является важным преимуществом перед традиционными громоздкими оптическими системами.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters под названием "Enabling all-to-circular polarization up-conversion by nonlinear chiral metasurfaces with rotational symmetry" Дмитрием Громыко и соавторами (DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.023804), демонстрируют потенциал нового подхода. Предполагаемая дата публикации – 2025 год. Дополнительные материалы доступны в архиве arXiv (DOI: 10.48550/arxiv.2407).
Эта разработка, выполненная в SUTD, является ярким примером междисциплинарного подхода, сочетающего в себе технологические достижения и передовые конструкторские решения. Это доказывает, что фундаментальные теоретические концепции могут быть успешно воплощены в реальные, функциональные устройства.
Разработанная метаповерхность открывает перспективы для миниатюризации оптических устройств, таких как микроскопы, а также для создания более компактных и эффективных спектроскопических приборов. Более того, она может найти применение в хиральном сенсинге, что позволит с большей точностью определять структуру и характеристики хиральных молекул. Использование эффекта кругового дихроизма, связанного с разницей в поглощении лево- и право-циркулярно поляризованного света, станет более доступным и эффективным благодаря этой технологии.
Исследователи продолжают работу над экспериментальной проверкой эффекта преобразования любого типа поляризации света в круговую поляризацию. Если их эксперименты подтвердят теоретические выкладки, то эта метаповерхность может стать прорывом в области оптики, открыв путь к созданию более компактных и мощных оптических устройств.
