Schopnost přesně ovládat světlo patří mezi klíčové technologie moderní vědy. Od optických sítí přes senzory až po kvantové počítače. Vědci z Advanced Science Research Center při CUNY Graduate Center nyní ukázali zajímavý krok kupředu. Vyvinuli extrémně tenký metasurface čip, který dokáže změnit barvu světla a zároveň přesně řídit jeho směr.

Na první pohled jde o nenápadnou plochou strukturu. Povrch čipu je však pokryt mikroskopickými vzory menšími než samotná vlnová délka světla. Právě tyto struktury dávají materiálu schopnost manipulovat s fotony způsobem, který klasická optika nedokáže.

Když vědci čip osvítili infračerveným laserem, zařízení dokázalo přeměnit toto neviditelné záření na viditelné zelené světlo. Navíc vzniklý paprsek neodchází náhodně. Čip ho umí nasměrovat do konkrétního směru a to bez mechanických částí nebo pohyblivých zrcadel.

Výsledkem je něco, co sami výzkumníci popisují jako mikroskopický reflektor zabudovaný přímo do čipu. Během experimentů byl použit infračervený paprsek s vlnovou délkou přibližně 1530 nanometrů. Tento rozsah je běžný například v optických komunikačních systémech. Metapovrch jej dokázal přeměnit na viditelné zelené světlo o vlnové délce kolem 510 nanometrů.

Zajímavé je také samotné řízení směru paprsku. Stačí změnit polarizaci vstupního světla a paprsek se otočí jiným směrem. Jinými slovy, směr světla lze ovládat čistě pomocí vlastností vstupního paprsku.

Problém metasurfaces, který vědci konečně obešli

Metapovrchy nejsou ve vědě novinkou. Už několik let se používají k ohýbání, fokusování nebo tvarování světla pomocí nanostruktur na plochém materiálu. Tyto technologie ale dlouhodobě narážely na zásadní kompromis.

Jedna skupina struktur dokázala světlo velmi přesně tvarovat, ale nedokázala ho dostatečně zesílit. Druhá skupina byla naopak velmi efektivní při zesilování světla, jenže ztrácela jemnou kontrolu nad výsledným paprskem.

Nový čip dokáže obě vlastnosti spojit. Klíčem je takzvaná kolektivní rezonance, kterou vědci označují jako quasi bound state in the continuum. Tento fyzikální jev dokáže světelnou energii na povrchu čipu na krátký okamžik „uvěznit“ a výrazně ji zesílit.

Současně je každý mikroskopický prvek na povrchu čipu pootočen podle přesně vypočítaného vzoru. Díky tomu vzniká efekt podobný kombinaci čočky a hranolu přímo v nanostruktuře materiálu.

Praktickým výsledkem je vznik tzv. třetí harmonické světla. Frekvence výstupního paprsku je třikrát vyšší než frekvence původního světla. Právě proto dochází ke změně barvy z infračervené oblasti do viditelného zeleného spektra.

Účinnost tohoto procesu je podle autorů studie zhruba stokrát vyšší než u podobných zařízení, která dokážou řídit směr paprsku, ale nemají zrovna tuto kolektivní rezonanci.

Co to může znamenat pro budoucí technologie

Možnost generovat nové barvy světla a zároveň řídit jejich směr na jediném čipu otevírá zajímavé možnosti. Výzkumníci mluví například o kompaktních světelných zdrojích, které by bylo možné integrovat přímo do elektronických čipů.

Takové technologie mohou být důležité pro lidarové systémy používané v autonomních vozidlech, pro optické zpracování signálů nebo pro generování kvantového světla v budoucích výpočetních systémech.

Zajímavé je také to, že princip zařízení není závislý pouze na jednom konkrétním materiálu. Podle autorů studie lze podobnou geometrii aplikovat na různé optické materiály a v různých částech spektra. Teoreticky tedy i v ultrafialové oblasti.