Когда свет проходит через материал, пространственное расположение атомов материала может вызывать отражение, преломление, рассеивание или диффузию света. Однако, исследователи из Университета Хериот-Ватт в Великобритании, Университета Пердью и исследовательского центра Боудена в США продемонстрировали манипулирование светом во времени с помощью наноматериалов, называемых прозрачными проводящими оксидами (TCO).
Как указывают эксперты, эта новая эпоха в нелинейной оптике потенциально может повлиять на дальнейшие исследования в нескольких областях, от квантовых вычислений и систем связи до искусственного интеллекта и временных кристаллов.
TCO - это стеклообразные материалы, которые обладают оптической прозрачностью (в видимом спектре) и электропроводностью. Это делает их пригодными для таких применений, как солнечные панели и сенсорные дисплеи. Чтобы представить изменяющийся во времени аспект, исследователи разработали материал TCO, который меняет свои оптические свойства невероятно быстро, всего за шесть фемтосекунд (шесть квадриллионных долей секунды). Такая скорость имеет решающее значение, этого нет в традиционных материалах, которые меняются недостаточно быстро, чтобы демонстрировать изменяющиеся во времени эффекты.
Исследователи из Университета Хериот-Ватт предлагают установку, в которой они могут изменять оптические свойства TCO при прохождении через них светового импульса. Это означает, что одна часть светового импульса проявляет один набор свойств материала, а другая часть того же светового импульса (всего через несколько фемтосекунд) проявляет совершенно другие свойства. Это явление называется временной рефракцией и приводит к изменению скорости и частоты светового импульса при его движении. Это отличается от пространственной рефракции, при которой скорость и направление светового импульса меняются на границе раздела двух материалов. Другими словами, один световой импульс, преломляющийся во времени, может иметь разные длины волн или частоты. Это достигается с помощью сверхбыстрых световых импульсов, которые создают слой, одновременно контролирующий направление и энергию фотонов или частиц света. Явление, при котором свет не только меняет частоту, но и расщепляется, называется пространственно-спектральным оптическим расщеплением.
Исследователи из Университета Хериот-Ватт создали материал TCO, используя тонкие пленки оксида алюминия и цинка толщиной в несколько нанометров, что намного меньше, чем у большинства частиц пыли. В эксперименте использовались два лазера. Первый лазер позволял определить, как TCO реагируют на свет, изменяя показатель преломления материала. Этот процесс происходит в режиме реального времени. Второй лазер испускал импульс света, которым манипулировали.
Чтобы спроектировать экспериментальную установку и понять, как должны работать два лазера, исследователи разработали математическую модель для объяснения пространственного и временного преломления света. Модель также сыграла решающую роль в определении времени прохождения двух световых импульсов и их взаимодействия с материалом. При правильном выборе времени передняя часть второго импульса воздействует на материал, когда его показатель преломления увеличивается, а задняя часть того же импульса воздействует на материал, когда его показатель преломления уменьшается.
Исследователи продемонстрировали, что световой импульс может быть разделен на две части, при этом каждый импульс содержит половину энергии исходного импульса и движется в разных направлениях. Кроме того, они наблюдали увеличение пропускания на 300 %, что указывает на то, что материал стал более прозрачным с минимальными потерями энергии. “Этот новый класс изменяющихся во времени материалов - самый большой шаг вперед на пути к созданию совершенного оптически управляемого материала за последние десятилетия, позволяющий создавать множество новых и захватывающих эффектов, к которым стремятся ученые всего мира”, - сказал соавтор исследования доктор Марчелло Феррера из Университета Хериот-Ватт в пресс-релизе университета.
Исследователи считают, что их работа может помочь в развитии многих технологий будущего.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.
