Преобразование частоты света — ключевая операция в фотонике: она позволяет, например, превращать инфракрасный лазерный луч в видимый или генерировать новые цвета, которые трудно получить напрямую. Однако традиционные методы полагаются на объемные кристаллы — например, ниобат лития или арсенид галлия — которые трудно миниатюризировать, а их эффективность преобразования часто оставляет желать лучшего.
Команда ученых из Гарварда, Техасского и Калифорнийского университетов подошла к проблеме иначе, пишет IE: вместо того чтобы искать готовый «волшебный» материал, они спроектировали и сам материал, и его оптическую структуру одновременно, тонко настраивая электронные свойства, электромагнитные поля и геометрию устройства.
В основе устройства — полупроводниковая структура из сверхтонких слоев арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия, образующих так называемые квантовые ямы. Эти слои создают дискретные электронные энергетические уровни, которые усиливают взаимодействие света с веществом (нелинейный отклик). Затем на поверхность нанесли массив наностолбиков диаметром в сотни нанометров. Получившаяся метаповерхность не только концентрирует электромагнитное поле внутри полупроводника, повышая интенсивность света, но и контролирует симметрию полей, предотвращая взаимное гашение различных оптических процессов.
Вместе оба элемента — квантовые ямы и метаповерхность — дали синергетический эффект: по сравнению с обычной, неструктурированной полупроводниковой пластиной нелинейный отклик вырос в тысячи раз.
Эксперименты проводились в ближнем инфракрасном диапазоне, в котором работают волоконно-оптические линии связи. Это означает, что компактные чипы, созданные по новой технологии, смогут эффективно преобразовывать частоты лазерных сигналов, генерировать новые длины волн для систем квантовой коммуникации и даже служить источниками запутанных фотонных пар для квантовых вычислений — и все это в крошечных устройствах, совместимых с существующими полупроводниковыми технологиями.
Недавно американские инженеры создали полупроводник толщиной всего в несколько молекул, который можно перепрограммировать светом, постепенно меняя его проводимость и оптические свойства. Это шаг к «умной» электронике, характеристики которой можно динамически менять уже после изготовления.
