Бесконечная фазовая скорость света для оптических компьютеров
Группа учёных из Гарвардского университета спроектировала и экспериментально продемонстрировала первый метаматериал с нулевым показателем преломления, пригодный для использования в оптических интегральных схемах. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Photonics.
С развитием нанотехнологий бурное развитие получили технологии создания метаматериалов — то есть искусственных материалов, свойства которых определяются структурой составляющих их элементов. Это привело к тому, что сегодня можно создать материал с практически произвольными наперёд заданными оптическими свойствами, в том числе и такими, которые сложно найти в природе.
Особый интерес вызывает возможность создания метаматериалов с нулевым показателем преломления. Как известно, показатель преломления равен отношению фазовых скоростей световой волны в вакууме и в материале. Это означает, что в средах с нулевым показателем преломления фазовая скорость бесконечна.
Фазовая скорость — это характеристика волны, показывающая с какой скоростью бегут её “горбы” и “впадины”. Несмотря на то, что интуитивно кажется, что это и есть скорость распространения волны, на самом деле, это не так. Скорость распространения волны или вернее волнового импульса равна скорости, с которой бежит её огибающая, и она равна так называемой групповой скорости волн. Образно разницу между фазовой и групповой скоростью можно себе представить как поезд — это волновой импульс — по бокам которого бегут огоньки горизонтальной гирлянды — это “горбы” волны. Очевидно, что огоньки могут бежать с произвольной скоростью и эта скорость никак не влияет на то, насколько быстро они доедут из Москвы в Петербург. Таким образом, фазовая скорость может быть как сколь угодно малой, так и сколь угодной большой — вплоть до бесконечности — и это не нарушает принципа относительности Эйнштейна, поскольку фаза волны не переносит ни информацию, ни энергию.
Бесконечность фазовой скорости означает, что во всех точках среды оптическое поле колеблется совершенно одинаково — оно меняется во времени, но в каждый из моментов времени оно совершенно одинаковое во всех точках пространства. Возвращаясь к образу с поездом и гирляндой, это будто лампочки гирлянды зажигаются не одна за другой, а все одновременно, и также одновременно гаснут.
Что можно сделать с помощью оптического элемента, в котором показатель преломления равен нулю? Поскольку во всех точках такого элемента оптическое поле ведёт себя одинаково, в нём исчезает выделенное направление распространения волны. При этом свет выходит из такого элемента всегда перпендикулярно его границам — какими бы сложными они не были. Это означает, что с помощью сред с нулевым показателем преломления можно быстро менять направление распространения световых пучков, изгибать их, закручивать и даже уменьшать их диаметр до нанометровых размеров. Это делает такие среды чрезвычайно привлекательными для использования в оптических интегральных схемах.
Как известно, вся существующая электроника работает на основе электронных интегральных схем — сложных микроэлектронных устройств, принцип работы которых основан на передаче сигналов в виде электрического тока. Повысить скорость работы подобных устройств можно было бы за счёт использования вместо электронов фотонов, то есть света. Именно эта идея и реализуется в оптических интегральных схемах, где информация переносится импульсами света, а её обработка ведётся миниатюрными оптическими элементами.
Несмотря на то, что метаматериалы с нулевым показателем преломления в оптическом диапазоне были созданы ещё около 10 лет назад, их использование в оптических интегральных схемах было невозможным по ряду причин. Во-первых, большинство технологий по созданию таких материалов было основано на использовании металлических элементов. Проблема с металлами заключается в том, что в них сильны потери энергии, связанные с нагревом. Кроме того, в таких элементах было сложно обеспечить наравне с нулевым показателем преломления нулевой коэффициент отражения. Решением этих проблем стало создание в 2011 году метаматериала с нулевым показателем преломления на основе диэлектрика.
Стандартным методом создания оптических интегральных схем является планарная технология, по которой элементы выращивается слой за слоем на плоской поверхности кремниевой подложки. К сожалению, все продемонстрированные до сих пор методы создания диэлектрических метаматериалов с нулевым показателем преломления предполагали, что при их выращивании на подложке получается слоистая структура, на которую свет должен падать перпендикулярно плоскости подложки. Это затрудняло их использование в интегральных схемах, в которых предполагается, что свет движется только вдоль подложки.
В свежей работе авторам удалось решить и эту проблему. Ими была спроектирована специальная схема организации диэлектрического метаматериала, при которой он может быть выращен на подложке и позволяет ввод излучения сбоку. Новый метаматериал представляет собой массив кремниевых столбиков высотой 690 нанометров и радиусом 211 нанометров, заключённых в полимерную матрицу, покрытую сверху и снизу слоями золота толщиной 50 нанометров. Точный подбор параметров обеспечил нулевой показатель преломления такой структуры на длине волны 1570 нм, являющейся современным стандартом для оптоволоконной передачи данных. При этом структура такого материала позволяет легко состыковать его с кремниевыми волноводами.
Помимо задач создания оптических компьютеров, новый метаматериал может быть полезен и для фундаментальной науки. С его помощью можно обеспечить равенство фаз у двух разнесённых в пространстве фотонов. Такие устройства могли бы упростить создание фотонов в квантово-запутанных состояниях, необходимых для проведения экспериментов, изучающих основания квантовой физики.
Эта статья изначально опубликована на сайте N+1.
