Controlul componentelor optice doar prin lumină, posibil cu ajutorul cristalelor lichide colorate
O nouă tehnică de control al componentelor optice cu ajutorul luminii ar putea deschide calea către o generație de tehnologii de procesare a semnalului de înaltă eficiență, cu aplicații precum video holografic. Fizicieni de la Centrul de Excelență ARC pentru Sisteme Meta-Optice Transformative (TMOS) de la ANU au dezvoltat o metodă prin care dispozitivele statice pot fi reglate dinamic cu lumină, o capacitate importantă pentru tehnologia fotonică flexibilă și puternică.
Rezultatele au fost publicate în revista Nanoscale. Echipa a reușit acest lucru prin încorporarea unei metasuprafețe, în mod convențional statică, în cristale lichide amestecate cu un colorant fotosensibil, a explicat coordonatorul proiectului, dr. Yana Izdebskaya, din cadrul Departamentului de Fizică Fundamentală și Teoretică și membru TMOS.
„Putem modifica răspunsul optic al metasuprafeței pe cale optică — fără electrozi, componente magnetice sau elemente de încălzire, doar folosind lumina”, a declarat Izdebskaya. „Este complet reversibil, ceea ce a reprezentat o provocare până acum.”
Cipurile computerizate bazate pe fotonica promit o procesare a semnalului mai rapidă, mai eficientă energetic și cu mai puțin zgomot decât cipurile electronice. Totuși, le lipsesc unele funcții de procesare a semnalului. Noua tehnică ar putea oferi o parte din această funcționalitate lipsă, cum ar fi comutarea optică și modelarea dinamică a fasciculului.
Cristalele lichide permit controlul optic
Metasuprafețele pot genera efecte optice pe care materialele naturale nu le pot produce. Ele sunt construite din rețele de suprafețe cu forme nanoscopice, mai mici decât lungimea de undă a luminii. Efectele lor depind de diferența de indice de refracție dintre metasuprafață în sine — în acest caz, un material dielectric numit siliciu amorf hidrogenat — și mediul înconjurător, cum ar fi aerul.
Indicele de refracție al aerului nu poate fi modificat cu ușurință. Dar dacă metasuprafața este acoperită cu un cristal lichid al cărui indice de refracție poate fi schimbat, comportamentul său poate fi controlat dinamic. Echipa TMOS a fost pionieră anterior în utilizarea câmpurilor magnetice pentru a controla o metasuprafață umplută cu cristale lichide, dar obiectivul lor final a fost să se îndepărteze de metodele electromagnetice și să dezvolte controlul optic.
Un colorant care răspunde la lumina verde
O vizită a dr. Andrey Iljin de la Universitatea din Münster, Germania, a oferit piesa lipsă a puzzle-ului. Specialist în coloranți, Iljin a colaborat cu echipa pentru a adăuga colorantul fotosensibil roșu de metil la un cristal lichid.
Roșul de metil este o moleculă mare de colorant care poate alterna între forme drepte și îndoite atunci când este iluminată cu lumină verde (lungime de undă 532 nm), în funcție de polarizarea luminii. Schimbarea formei moleculelor de roșu de metil modifică orientarea cristalelor lichide — molecule lungi și subțiri cunoscute sub numele de cristale lichide nematice — și schimbă răspunsul lor de polarizare la lungimea de undă de operare a metasuprafeței, în infraroșu.
Comutarea rezonanțelor infraroșii în câteva secunde
Echipa a ales o metasuprafață statică realizată din nanocilindri de siliciu eliptici, proiectată să creeze rezonanțe printr-un efect cunoscut sub numele de stări legate în continuum (BIC). Metasuprafața susține rezonanțe atât în dipoli electrici, cât și magnetici.
Pentru a o controla, echipa a folosit cristale lichide dopate cu 1% colorant roșu de metil. Cu acest control, cercetătorii au putut modifica puterea relativă a celor două rezonanțe dipolare în infraroșu, schimbând polarizarea luminii verzi. De asemenea, au putut crește puterea răspunsului făcând lumina verde mai intensă.
Când lumina a fost oprită, răspunsul a revenit la starea inițială în mai puțin de o secundă — o îmbunătățire substanțială față de cristalele lichide anterioare, care trebuiau încălzite pentru a-și reseta orientarea, un proces mult mai lent.
Spre dispozitive optice mai mici și mai rapide
„Am fost mulțumiți de acest răspuns rapid în experimentele noastre inițiale, dar cred că dacă optimizăm concentrația sau încercăm alți coloranți, putem îmbunătăți și mai mult acest control”, a declarat Izdebskaya.
Izdebskaya și colegii din echipa condusă de profesorul Ilya Shadrivov lucrează pentru a îmbunătăți timpul de răspuns și pentru a realiza versiuni minuscule, de dimensiunea unui pixel, ale acestor metasuprafețe controlate.
„Este important pentru că această abordare poate fi utilă pentru multe dispozitive diferite — metalense, sisteme de imagistică și holografie.”
„În viitor, aceste componente nanoscopice foarte mici ar putea înlocui dispozitivele voluminoase, cum ar fi lentilele din smartphone-uri și camere foto”, a declarat Izdebskaya.
