Согласно последнему выпуску журнала Nature Nanotechnology, исследователи из Грацского технического университета (Австрия), Гарвардского университета и Техасского университета в Остине (США) разработали новую метаповерхностную структуру, сочетающую полупроводниковый слой с наноструктурами, что позволило повысить эффективность преобразования света примерно в 72 000 раз по сравнению с прежними материалами. Это достижение может способствовать развитию телекоммуникаций и квантовых технологий.
Современные волоконно-оптические сети связи передают информацию, используя линейное распространение света. Однако для таких применений, как сложные вычисления, квантовые технологии и квантовая криптография, а также для оптических частотных гребёнок, используемых в высокоточных измерениях, только линейного распространения света недостаточно — необходимо использовать нелинейную поляризацию, чтобы фотоны могли взаимодействовать друг с другом и обмениваться информацией.
Традиционно для нелинейной связи световых волн применяются кристаллические структуры, такие как ниобат лития. Однако этот метод требует больших объёмов материала и высокой энергии света, что ограничивает миниатюризацию и применение соответствующих устройств. Отправной точкой данного исследования стал специальный полупроводниковый материал, разработанный командой. С помощью молекулярно-лучевой эпитаксии они создали нанометровые полупроводниковые слои из арсенида галлия и арсенида галлия-алюминия, содержащие асимметрично связанные квантовые ямы. Квантовые ямы ограничивают движение электронов, формируя квантованные энергетические уровни. Благодаря асимметричной конструкции квантовых ям электроны под воздействием света стремятся двигаться в одном направлении. Возникающие в результате нелинейные электронные колебания позволяют различным световым волнам взаимодействовать более эффективно.
Однако для полного использования свойств этого материала свет должен распространяться параллельно полупроводниковому слою. Чтобы решить эту проблему, команда создала над полупроводниковым слоем метаповерхность. Метаповерхность состоит из наноразмерных столбиков из диоксида титана, расположенных в шахматном порядке, каждый из которых имеет размер всего несколько сотен нанометров. Она изменяет направление распространения света, заставляя его распространяться вдоль полупроводникового слоя, что позволяет в полной мере использовать нелинейные свойства материала.
Эксперименты показали, что при перпендикулярном падении света на устройство из-за симметрии геометрической структуры световые поля взаимно компенсируются, и генерация второй гармоники практически невозможна. Исследователям достаточно было наклонить устройство примерно на 0,3 градуса, чтобы нарушить эту симметрию и обеспечить эффективную нелинейную поляризацию.
Более высокая эффективность преобразования означает, что в будущем можно будет создавать оптические устройства меньшего размера и с более низким энергопотреблением, например, снижать энергозатраты на передачу информации между компьютерами в центрах обработки данных. Эта технология также может найти применение в области интегральной фотоники и крупномасштабной обработки данных.