Метаматериал става невидим с рефлекторен режим

Екип от учени колективно измислиха нов „метаматериал“ способен да променя фазата между две състояния. Едното отразява инфрачервената светлина, а другото е почти невидимо.

Международен изследователски екип предложи създаването на нов метаматериал с регулируеми оптични свойства. Той може да подобри надеждността на всяко оптично устройство, като същевременно намали производствените разходи.

Ускореното развитие във физиката и материалознанието през последните десетилетия донесе на обществото широк спектър от налични материи. Изобретателите, които проектират сложни устройства, са по-малко ограничени от използването на традиционни материали като метали, стъкло, дърво или минерали. Именно тук метаматериалите отварят възможности за нови приложения.

Новото изобретение се състои се от сложни периодични структури. Те са относително независими от свойствата на съставните си компоненти и могат да имат обемни или плоски варианти. Последните се наричат метаповърхности.

Метаповърхностите ни позволяват да постигнем много интересни ефекти при манипулирането на светлината. Но учените се сблъскват с един проблем: как те взаимодействат със светлината. Това се установява след проектиране на тяхната структура. Когато създаваме устройства за практическа употреба, ние бихме искали да ги контролираме и по време на използването им.

ITMO

Докато от компанията търсят материали, подходящи за адаптивни оптични устройства, изследователите на ITMO използват своя голям опит в работата със силициеви структури. Един такъв компонент е съединението телурид.

Направени са изчисления, за да се разбере как ще изглежда този нов композитен материал. Включен е и GeSbTe, вграден като слой между два пласта силиций. Това е един вид сандвич. Покрива се слой на силиция с част от материала за смяна на фазите и след това се поставя още от силиция.

Учените използват метод на литографията. С електронен лъч се преобразува многопластовата структура в метаповърхност. Накрая се трансформира в масив от микроскопични дискове, за да се подложи на тестване в лаборатория. Така се вижда, колко добре манипулира светлината.

Хаотично отражение

Точно както очакваха изследователите, комбинирането на два материала в сложна периодична структура произведе важна функция. Нивото на прозрачност на повърхността може да бъде променяно през целия експеримент. Силиконовият диск близък до инфрачервената област с два оптични резонанса му позволява силно да отразява инфрачервените лъчи, насочени към повърхността му. Слоят GeSbTe дава възможност на учените да “изключат” един от двата резонанса, което прави диска почти прозрачен за светлина в близост до инфрачервения диапазон.

Материалите, способни да променят фазата, имат две състояния. Едното е кристално и включва молекули подредени в определена структура, докато другото е аморфно. Когато слоят GeSbTe в центъра на метаматериала е подреден в кристално състояние, вторият резонанс изчезва. Когато е аморфен, дискът ще отразява инфрачервените лъчи.

За да се превключва между двете състояния е нужно да се използва достатъчно мощен импулсен лазер. Той се фокусира върху диска и тогава превключването се извършва сравнително бързо. Кратък лазерен импулс загрява слоя GeSbTe почти до точката на топене, след което той бързо се охлажда и става аморфен. Ако се подложи на серия от къси импулси, материалът се охлажда по-бавно, като се трансформира в кристално състояние.

Свойствата на новата метаповърхност отварят вратата за различни приложения. Най-интересното е създаването на лидари – устройства, които сканират пространство чрез излъчване на инфрачервени импулси и след това получават отразени лъчи. Принципът на създаването на този метаматериал може също да насърчи производството на специални ултратънки фотографски обективи като тези, които всички използваме в камерите на смартфоните.

Тъй като науката за материалите продължава да осъществява пробиви, разрастващият се свят на авангардна електроника, от смартфони потребителски клас до напреднал военен хардуер, може да предприеме първите си стъпки в голяма индустриална революция.