В ближайшие 5–7 лет ожидается рост интереса к «метаповерхностям» – новым оптическим элементам, которые позволяют получать уникальные распределения амплитуд и фаз внутри световой волны. Они будут использоваться в устройствах фотоники, сенсорике и параллельных оптических вычислениях. Это улучшит технологии оптической передачи, обработки информации и методы диагностики.

Бурное развитие метаповерхностей в ведущих мировых лабораториях в последние годы позволяет ожидать массовое появление совершенно новых оптических устройств на их основе уже в ближайшие годы.

По словам специалистов Южного федерального университета, новые плоские оптические устройства, которые сейчас разрабатываются в лабораториях, в большинстве своем изготавливаются из металлов или диэлектриков и не могут гибко перепрограммироваться в процессе работы. Но уже в недалеком будущем планируется создание устройств на основе динамически переключаемых или плавно настраиваемых оптических материалов.

Диоксид ванадия (VO2) – сейчас один из наиболее перспективных материалов для метаповерхностей, который можно переключать из диэлектрического в металлическое состояние различными способами: при помощи изменения температуры, нагрева током, светом, электрическим полем и даже механическими напряжениями. При этом, если тепловое и токовое переключение отвечает современным научным стандартам, то использование изменяемых световых картинок или голограмм для переключения – это совершенно новый подход, который в настоящее время активно развивают ученые ЮФУ.

Недавно исследователи учебно-научной лаборатории наноматериалов Института математики, механики и компьютерных наук им. И.И. Воровича ЮФУ разработали метод точного мониторинга малых изменений температуры (на уровне 0.2-0.1°С) на поверхности композитных материалов для оптически управляемых метаповерхностей на основе диоксида ванадия и плазмонных наночастиц. Наночастицы или же нанонозвезды были изготовлены доктором физико-математических наук, сотрудником Института биологии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов) Борисом Хлебцовым.

В своем исследовании ученые использовали чувствительные свойства поверхностных акустических волн, которые возбуждались на поверхности композитов. Кроме того, в материалах обнаружены уникальные свойства памяти, которые открывают широкие возможности их использования в устройствах реконфигурируемой инфракрасной и ТГц фотонике, сенсорике, параллельных оптических вычислениях. Этот подход позволяет отслеживать различные физические, химические или биологические явления на поверхностях, протекающие с выделением тепла. Результаты работы опубликованы в журнале Materials.

«Если ты можешь контролировать локальную температуру чувствительной к теплу функциональной структуры из VO2 — значит можешь гибко управлять ее свойствами. В классическом VO2, к большому сожалению, если фазовый переход однажды начался, то он “лавинообразно” будет происходить до металлического состояния. Стабилизировать рабочую точку посередине перехода ранее ни у кого не получалось. Однако, сама возможность такой стабилизации открывает новые возможности в развитии устройств плоской оптики. Действительно, если есть возможность управляемо зафиксировать состояние VO2 одного “пикселя” метаповерхности в некотором состоянии “A” между проводимостью диэлектрика и металла, а других “пикселей” - в других состояниях “В”, “С” — значит можно плавно менять “оптические” свойства внутри волнового фронта плавно или “градиентно”, а не дискретно как “0” и “1”. Это имеет колоссальное значение для “градиентной” оптики, которая, как известно позволяет достигать самые высокие характеристики приборов. Нам удалось получить именно такой материал, у которого свойства можно плавно “подкрутить” в любое состояние между диэлектриком и металлом, а потом зафиксировать его там на некоторое время. И сделать это можно при помощи нагрева, пропускания тока и даже при помощи облучения светом. Мы пытаемся осуществить адресацию к элементам метаповерхностей из диоксиада ванадия при помощи света. Но, поскольку диоксид вандия поглощает свет сравнительно плохо, ему необходимо “помогать”. В данном случае частицы золота прекрасно нагреваются светом и могут отдавать рассеянное тепло пленке VO2, таким образом, они повышают управляемость переключения при помощи световых сигналов. Для создания композитных материалов были задействованы массивы плазмонных наночастиц (нанозвезд), изготовленных в лаборатории нанобиотехнологий Института биологии и физиологии растений и микроорганизмов РАН в Саратове, доктором физико-математических наук Борисом Хлебцовым», – отметил ученый.

Сегодня оптический способ оптической адресации метаповерхностей все еще является глобальным вызовом в научном сообществе, однако ученые ЮФУ активно продвигают и развивают эту парадигму. «Уже сейчас становится очевидно, что метод электрического управления чипами имеет серьёзные ограничения и переход к оптическому управлению неизбежен, как и в случае перехода от аналоговой электроники к цифровой», отметил Владимир Кайдашев.

В настоящий момент группа ученых лаборатории Наноматериалов ЮФУ в рамках проекта РНФ работает над созданием инфракрасных и терагерцовых метаповерхностей, в том числе металинз, способных динамически изменять свое фокусное расстояние.