Настроювані гібридні метаматеріали, які відкривають можливість проектування активних мікросхем із можливістю перемикання, модуляції та уповільнення та прискорення терагерцових хвиль – розробляються в WAT. Вони можуть бути платформою для створення багатофункціональних фотонних пристроїв, напр. біохімічні сенсори, поглиначі, фільтри, нелінійні перемикачі, властивості яких можна активно модулювати.
Доктор інж. Rafał Kowerdziej з факультету нових технологій і хімії Військового технологічного університету – переможець конкурсу SONATA BIS, організованого Національним науковим центром (NCN). Міждисциплінарна команда, яка буде створена в рамках проекту, буде симулювати, характеризувати та оптимізувати регульовані властивості т.зв. «швидке світло» (FL) і «повільне світло» (SL), що виникають в надшвидких терагерцових метаматеріалах, засновані на ефекті плазмонної прозорості.
PAP: Як можна просто пояснити, що таке терагерцові метаматеріали?
Доктор інж. Рафал Ковердзій: Метаматеріал як термін зараз широко визнаний синонімом футуристичного матеріалу. Зверніть увагу, що від грецького слова “мета” засоби понад, за межами. Таким чином, метаматеріали можна описати як матеріали з властивостями, що перевершують або перевищують властивості звичайних або «природних» матеріалів, з яких вони побудовані.
З фізичної точки зору можна сказати, що електромагнітні метаматеріали – це мікроскопічні композитні структури, виготовлені за допомогою сучасних технологій (наприклад, електролітографія), які не зустрічаються в природі – найчастіше метадіелектричного типу (хоча діелектричні метаструктури – виготовлені з діелектричних матеріалів з високий показник заломлення, найчастіше це аморфний кремній), які резонансно взаємодіють з електромагнітним полем.
Метаструктура будується на основі т. зв елементарні комірки, в яких періодично розподіляються металеві елементи, т. зв резонатори (наприклад, із золота, срібла або алюмінію), встановлені на діелектричних підкладках (наприклад, кварцове скло). Тут необхідно підкреслити, що розміри елементарних комірок повинні бути в кілька разів меншими за довжину хвилі, що поширюється через структуру.
Терагерцові метаматеріали, які вивчаються в нашому проекті, є метало-діелектричними плазмонними матеріалами з резонансними частотами в діапазоні 0,3–3 ТГц (терагерц). У випадку метаструктур ТГц діапазону розміри елементарних комірок коливаються від кількох десятків до кількох сотень мікрометрів, а одна метаповерхня може складатися навіть із кількох тисяч елементарних комірок. Терагерцеві метаматеріали виготовлятимуть із дорогоцінних металів (переважно золота та срібла) на кварцових підкладках. Їх фізичні параметри будуть визначені, а потім оптимізовані в результаті серії процесів електромагнітного моделювання.
PAP: Тепер, коли ми знаємо більше про терагерцеві метаматеріали, наступним кроком до розуміння ідеї дизайну є розуміння ефекту плазмонної прозорості…
РК: Метаматеріали, засновані на ефекті плазмонної прозорості, найчастіше будуються з елементарних комірок, що містять принаймні два металеві елементи. Я спробую пояснити це явище на найпростішому прикладі. Припустимо, що два металеві стрижні поміщені в одну елементарну комірку метаматеріалу. Якщо правильно змоделювати геометричні розміри таких стрижнів і відстань між ними, а потім підсвітити таку структуру терагерцевим випромінюванням, то спостерігатиметься виникнення 2-х резонансних мод, т.зв. світлий режим і темний режим – якщо смуги перпендикулярні одна одній, або дві світлі моди – якщо смуги паралельні одна одній і в той же час електричне поле електромагнітної хвилі паралельне довгим осям цих смуг. Обидва ці режими якимось чином приписуються металевим елементам, які утворюють метаматеріал.
Що це за моди? Якщо ми розташуємо стрижні в елементарній комірці так, щоб вони були перпендикулярні один одному, то «яскрава» мода буде збуджуватися безпосередньо електричним полем електромагнітної хвилі в стрижні, яке паралельне вектору напруженості електричного поля електромагнітна хвиля, що призводить до сильного збудження поверхневих плазмонів на межі металевого стрижня, що утворює метаструктуру, та діелектричної підкладки. Внаслідок дії електричного поля заряд у металевому стрижні зміщується, внаслідок чого він стає фактично електричним диполем. Слід зазначити, що резонансна крива яскравого режиму глибока і вузька, що означає, що він має високий коефіцієнт добротності.
На відміну від світлої моди, темна мода, яка в даному випадку приписується стрижню, довга вісь якого перпендикулярна вектору напруженості електричного поля, не може бути збуджена електричним полем електромагнітної хвилі, тому резонансна крива цієї моди має вигляд широкий, тобто має низький коефіцієнт добротності. Таким чином, ці два моди мають надзвичайно різні коефіцієнти переваг. Ефект плазмонної прозорості в метаматеріалах є результатом інтерференції (перекриття) резонансних мод, описаних вище.
У метаматеріалах, заснованих на ефекті плазмонної прозорості, вкрай важливо правильно спроектувати метаструктуру, тобто ретельний вибір і оптимізацію геометричних розмірів, взаємне розташування металевих елементів в елементарній комірці та відповідне моделювання відстані між металевими елементами, тобто так, щоб обидва режими можуть поєднуватися. Ефект плазмонної прозорості проявляється у появі вузького вікна прозорості (тобто фактичного піку у вигляді високого пропускання) у широкому спектрі поглинання.
PAP: Наслідком ефекту плазмонної прозорості є т.зв швидкі та повільні світлові ефекти. Про що вони?
РК: На початку слід зазначити, що обидва ці ефекти пов’язані з груповою швидкістю електромагнітної хвилі, яка поширюється в дисперсійному середовищі, тобто такому, у якого показник заломлення (n) залежить від частоти хвилі (ɷ). Звичайно, в нашому випадку це середовище є метаматеріалом.
У матеріалі з частотно-залежним показником заломлення кожна частота поширюється з різною фазовою швидкістю, таким чином змінюючи природу інтерференції. Якщо n(ω) змінюється лінійно з частотою хвилі ω, вплив модифікованої інтерференції полягає у зміщенні піку імпульсу з часом, але при незмінній формі імпульсу.
Той факт, що імпульс зміщений у часі, означає, що він рухається зі швидкістю, відмінною від фазової швидкості. Ми називаємо цю «нову» швидкість груповою швидкістю. Порівнюючи співвідношення, що описують фазову та групову швидкості, можна побачити, що співвідношення, яке описує групові швидкості, додатково включає коефіцієнт, який описує дисперсію dn/dω показника заломлення.
Щоб отримати ефект «швидкого світла», необхідно розробити метаматеріал, для якого dn/dω буде якомога більшим і негативним. У випадку метаматеріалів, заснованих на ефекті плазмонної прозорості, це досягається шляхом використання сильної зміни показника заломлення, яка відбувається поблизу резонансу метаматеріалу.
Що, мабуть, найважливіше в останніх дослідженнях швидкого світла — це не існування ефекту, а скоріше усвідомлення того, що певні форми імпульсів можуть поширюватися у високодисперсійному середовищі з незначними спотвореннями імпульсів. Щоб запобігти спотворенню імпульсу, дисперсія вищого порядку – через нелінійну залежність показника заломлення від частоти хвилі – повинна бути мінімізована.
Іншими словами, це зводиться до умови, що групова швидкість електромагнітної хвилі має бути від’ємною. У свою чергу, т. зв явище/ефект повільного світла можна визначити як поширення світлових імпульсів або інших режимів модуляції світла з відносно низькою груповою швидкістю. Щоб досягти цього, нам потрібно змоделювати метаструктуру таким чином, щоб дисперсія показника заломлення (dn/dω) була якомога більшою та позитивною.
PAP: Яка мета дослідження, яке проводить ваша команда?
РК: У рамках запропонованого проекту ми маємо намір створити міждисциплінарну дослідницьку групу для моделювання, характеристики та оптимізації регульованих властивостей ефектів PIT, SL та FL, що виникають у гібридних терагерцевих метаматеріалах. Регульовані параметри метаматеріалів будуть отримані за допомогою нещодавно розроблених рідкокристалічних матеріалів, діоксиду ванадію (VO2) і дисульфіду молібдену (MoS2), для конструкції перетворювачів.
Реалізація гібридних метаматеріалів дозволить налаштовувати ефекти PIT, SL та FL електрично, термально та через фотозбудження, а також отримати навіть пікосекундний час перемикання. Що важливо, запропонована методика дозволяє налаштувати вищезазначене властивості метаматеріалів надшвидким, низькоенергетичним, безперервним і оборотним способом (на відміну від більшості існуючих методів, які дозволяють лише резонансне перемикання між увімкненим і вимкненим станами).
Настроювані гібридні метаматеріали відкривають можливості для розробки активних мікросхем із можливістю перемикання, модуляції та «уповільнення та прискорення терагерцових хвиль». Вони можуть бути платформою для побудови багатофункціональних фотонних пристроїв, таких як напр. біохімічні сенсори, поглиначі, фільтри, нелінійні перемикачі, властивості яких можна активно модулювати, і, таким чином, не можуть бути отримані на основі технологій, що використовуються досі.
Кінцевим результатом дослідження/проекту стануть регульовані метаматеріальні перетворювачі на основі ефекту плазмонної прозорості та технологія їх реалізації. Крім того, ми отримаємо відповідь на питання, які граничні та оптимальні часи перемикання/налаштування ефектів PIT, SL та FL можна отримати, використовуючи рідкі кристали, VO2 та MoS2 для конструкції перетворювачів.
PAP: Дякую за розмову.
Проект «Настроювані та надшвидкісні терагерцові гібридні метаматеріали на основі ефекту плазмонної прозорості» отримав фінансування у розмірі 1 676 890 злотих. У рамках гранту дослідницька група Dr. Rafał Kowerdzieja співпрацюватиме з командою проф. Роберто Капуто з Університету Калабрії.
PAP – Наука в Польщі, Магдалена Барч
бар/ зан/
