Оптические схемы настроены на революцию в производительности многих устройств. Они не только в 10-100 раз быстрее электронных схем, но и потребляют намного меньше энергии. Внутри этих контуров световые волны контролируются чрезвычайно тонкими поверхностями, называемыми метаповерхностями, которые концентрируют волны и направляют их по мере необходимости. Метасоверхности содержат регулярно расположенные наночастицы, которые могут модулировать электромагнитные волны в масштабах длин субмикрометров.

В новом методе используется естественный процесс, уже используемый в механике жидкости: обезвоживание. Фото: © Vytautas Navikas / 2019 EPFL

Metasurfaces может позволить инженерам создавать гибкие фотонные схемы и ультратонкую оптику для множества приложений, от гибких планшетных компьютеров до солнечных панелей с улучшенными характеристиками поглощения света. Они также могут быть использованы для создания гибких датчиков для непосредственного размещения на коже пациента, например, для измерения таких вещей, как пульс и кровяное давление, или для обнаружения определенных химических соединений.

Подвох заключается в том, что создание мета-поверхностей с использованием обычного метода, литографии, является привередливым процессом, который занимает несколько часов и должен выполняться в чистом помещении. Но инженеры EPFL из Лаборатории фотонных материалов и волоконных приборов (FIMAP) в настоящее время разработали простой метод изготовления их всего за несколько минут при низких температурах – а иногда даже при комнатной температуре – без необходимости в чистом помещении. Метод инженерной школы EPFL позволяет получить метасоверхности из диэлектрического стекла, которые могут быть жесткими или гибкими. Результаты их исследований появляются в природе нанотехнологий.

Превращая слабость в силу

В новом методе используется естественный процесс, уже используемый в механике жидкости: обезвоживание. Это происходит, когда тонкая пленка материала наносится на подложку и затем нагревается. Тепло заставляет пленку втягиваться и распадаться на крошечные наночастицы. «Удаление влаги рассматривается как проблема на производстве, но мы решили использовать его в своих интересах», – говорит Фабьен Сорин, ведущий автор исследования и глава FIMAP.

Благодаря их методу инженеры впервые смогли создать метасовременные поверхности из диэлектрического стекла, а не металлические. Преимущество диэлектрических мета-поверхностей состоит в том, что они поглощают очень мало света и имеют высокий показатель преломления, что позволяет модулировать свет, который распространяется через них.

Чтобы сконструировать эти мета-поверхности, инженеры сначала создали подложку, текстурированную с желаемой архитектурой. Затем они нанесли материал – в данном случае халькогенидное стекло – в тонкие пленки толщиной всего в десятки нанометров. Затем подложку нагревали в течение нескольких минут, пока стекло не стало более жидким, и наночастицы начали формироваться в размерах и положениях, определяемых текстурой подложки.

Этот метод настолько эффективен, что может создавать очень сложные мета-поверхности с несколькими уровнями наночастиц или с массивами наночастиц, расположенных на расстоянии 10 нм друг от друга. Это делает мета-поверхности очень чувствительными к изменениям в условиях окружающей среды, например, для обнаружения присутствия даже очень низких концентраций биочастиц. «Это первый раз, когда осушение используется для создания стеклянных мета-поверхностей. Преимущество состоит в том, что наши метаповерхности гладкие и правильные, и их можно легко изготавливать на больших поверхностях и гибких подложках», – говорит Сорин.

По материалам phys.org