Группа ученых из Российского квантового центра, Московского физико-технического института, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Университета электронных наук и технологий Китая разработала уникальную наноструктурированную поверхность, позволяющую динамически изменять одно из ключевых свойств света – поляризацию – посредством обычного нагрева. Специалисты показали, что возможно не только корректировать степень вращения плоскости поляризации светового потока, но и изменять его направление. Это создает перспективу для разработки оптических элементов с возможностью перенастройки, сверхбыстрых модуляторов света и высокочувствительных сенсоров нового поколения. Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.
Эффект Фарадея, описанный почти два столетия назад, характеризует поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света, когда он проходит через вещество, подвергнутое намагничиванию вдоль направления распространения света под воздействием внешнего магнитного поля. Данное явление является основой для создания ключевых оптических приборов, включая оптические изоляторы, которые обеспечивают однонаправленное движение света, аналогично диоду в электронике. Однако в большинстве материалов магнитооптические свойства остаются неизменными, будучи «зафиксированными» в их структуре в процессе производства. Возможность создания материала, оптические свойства которого можно было бы изменять в режиме реального времени, представляет собой одну из приоритетных задач современной фотоники, и её решение откроет путь к переходу от статических оптических компонентов к полностью перенастраиваемым системам.
Для решения поставленной задачи ученые использовали концепцию метаповерхностей – искусственно созданных структур, оптические характеристики которых зависят не столько от химического состава, сколько от геометрии наноструктур, расположенных на их поверхности. В процессе исследования была разработана своеобразная наноструктура, напоминающая «бутерброд»: на тонкую пленку из магнитного материала (феррит-граната, легированного диспрозием и церием) поместили упорядоченный массив микроскопических цилиндров из кремния. Диаметр каждого цилиндра составляет всего 280 нанометров.
Кремниевые наноцилиндры функционируют как резонаторы, улавливая свет и существенно увеличивая его воздействие на магнитную пленку. В результате даже незначительные собственные магнитооптические свойства пленки многократно усиливаются на конкретных резонансных длинах волн.
Начав нагревать созданный образец, ученые сделали важное открытие: даже незначительное изменение температуры существенно влияет на поведение метаповерхности. В процессе эксперимента, при нагревании структуры от комнатной температуры (294 К, или 21°C) до 488 К (215°C), физики зафиксировали необычный эффект. На длине волны света 945 нанометров поляризация при комнатной температуре поворачивалась в определенном направлении (условно, «влево» на -0.3 градуса). Однако по мере повышения температуры угол поворота сначала снижался до нуля, а затем начал увеличиваться в противоположную сторону, достигая положительного значения (+0.1 градуса) при максимальной температуре. Таким образом, ученые впервые показали возможность изменения знака эффекта Фарадея с помощью внешнего воздействия.
Полина Зорина, аспирантка МФТИ и научный сотрудник Российского квантового центра дала комментарий: «Как правило, при создании метаповерхности ее характеристики, в том числе магнитооптический отклик, определяются постоянной геометрией наноструктур. Нам удалось придать метаповерхности управляемые свойства. Небольшое изменение температуры влияет на оптические свойства кремния и граната, однако, благодаря резонансной природе нашей структуры, даже эти незначительные изменения приводят к существенному сдвигу в магнитооптическом отклике. Наиболее удивительным является то, что нам удалось не только ослабить или усилить эффект, но и полностью изменить его полярность, что ранее было недостижимо в динамических условиях. Это открытие имеет не только научную ценность, но и большое практическое значение. Мы показали, что можно управлять светом с помощью другого светового луча, который нагревает определенный участок. Это является основой для создания полностью оптических переключателей и модуляторов. Кроме того, такая высокая чувствительность к температуре делает нашу метаповерхность идеальной платформой для разработки миниатюрных, высокоточных сенсоров, способных фиксировать изменения температуры с точностью до тысячных долей градуса».
Инновационность разработки заключается не просто в осуществлении управления, но и в методе его выполнения. Использование сфокусированного лазерного луча для нагрева позволяет локально модифицировать характеристики метаповерхности в зонах, размер которых составляет несколько микрометров.
Использование сфокусированного лазерного луча даёт возможность формировать на одном кристалле сложные пространственные структуры, состоящие из участков с отличающимся магнитооптическим поведением, и изменять их в процессе работы.
Предложенная метаповерхность находит широкое применение. Помимо создания полностью оптических транзисторов, в которых один лазер, выполняющий функцию «управляющего», изменяет поляризацию другого, «сигнального», существует и эффект самомодуляции. Мощный лазерный импульс способен нагреть материал в процессе прохождения через него, что приводит к изменению собственной поляризации. Разработанная структура также является высокочувствительным сенсором. Ее резонансы реагируют не только на температуру, но и на показатель преломления окружающей среды, что позволяет обнаруживать незначительные концентрации различных веществ в газовой или жидкой среде. В перспективе подобные управляемые метаповерхности могут стать важными компонентами систем оптической обработки данных, лидаров и биосенсорных чипов.
Научная статья: П.В. Зорина, Д.О. Игнатьева, С. Ся, П.Е. Зимнякова, Л. Би и В.И. Белотелов, Термочувствительная магнитооптическая метаповерхность для регулируемого эффекта Фарадея, Phys. Rev. Applied 24, 034056 (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/f6cr-tfld.
Сообщение предоставлено Центром научной коммуникации МФТИ