
Ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета штата Мичиган разработали новый вид метаматериалов, в котором отклонением проходящего излучения можно управлять в каждой точке поверхности независимо от остальных. Потенциально такие метаматериалы можно использовать для создания универсальных плоских линз, произвольно меняющих свою оптическую силу под контролем программируемого микрочипа, а также голографических устройств. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.Новый метаматериал (так называемая метаповерхность) устроен следующим образом. На подложку из кремния нанесен тонкий (толщиной 200 нанометров) слой оксида ванадия, который электрически изолирован оксидом кремния от поверхностного слоя золота. Золото делает поверхность непрозрачной, чтобы падающая электромагнитная волна не могла пройти сквозь нее напрямую. Однако в сплошном золотом слое сделаны крестообразные вырезы и по их периметру проложены тонкие нагревательные электроды, сделанные из титана. Суть работы нового устройства заключается в том, что нагревание изменяет локальные оптические свойства поверхности в данной точке, в результате чего проходящее излучение отклоняется на некоторый определенный угол. Эффект возникает благодаря тому, что при нагреве выше некоторой пороговой температуры оксид ванадия (VO2) становится оптически активным, то есть сдвигает фазу электромагнитной волны проходящего излучения и смещает пик резонансной кривой пропускания. В результате падающее вертикально на метаповерхность излучение определенной частоты выходит под некоторым углом — аналогично тому, как это происходит при преломлении света. Важно, что каждым из элементов можно управлять независимо и в устройстве нет никаких движущихся частей. В результате каждый из нагревательных элементов управляется независимо от остальных, что позволяет эффективно контролировать излучение, не имея на поверхности никаких движущихся элементов. Важно, что каждый из элементов поверхности, нагреваемый собственным титановым электродом, никак не влияет на соседние, то есть на поверхности фактически образуются независимые друг от друга фазовращающие антенны, параметры которых могут контролироваться пользователем с помощью программируемого микрочипа. В некотором смысле работа устройства напоминает фазированную антенную решетку, однако в данном случае каждый элемент метаповерхности действует независимо от остальных, что позволяет формировать почти произвольную картину пропускания света.В рамках существующих технологий довольно просто сделать микроэлектронные схемы, управляющие даже очень маленькими нагревательными элементами на поверхности метаматериала независимо от остальных. Такие схемы известны чрезвычайно давно и получили воплощение в компьютерах и других современных электронных устройствах. Основная сложность заключается в том, чтобы нанести нагревательные элементы на поверхность метаматериала, сделав их чрезвычайно маленькими, и подключить к ним программируемый микрочип, что и удалось достигнуть авторам.Для примера на врезе показано, как действует один из элементов поверхности метаматериала, когда ток нагревательного элемента составляет 13 миллиампер. В результате смещения положения резонанса и сдвига фазы все электромагнитные волны частотой 92 гигагерца будут отклоняться этим элементом на угол 59 градусов.
