Вчені Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Університету штату Мічиган розробили новий вид метаматеріалів, в якому відхиленням прохідного випромінювання можна керувати в кожній точці поверхні незалежно від інших. Потенційно такі метаматеріали можна використовувати для створення універсальних плоских лінз, що довільно змінюють свою оптичну силу під контролем програмованого мікрочіпа, а також голографічних пристроїв. Роботу опубліковано в журналі.
Новий метаматеріал (так звана метаповерхність) влаштований наступним чином. На підкладку з кремнію нанесено тонкий (товщиною 200 нанометрів) шар оксиду ванадію, який електрично ізольований оксидом кремнію від поверхневого шару золота. Золото робить поверхню непрозорою, щоб падаюча електромагнітна хвиля не могла пройти крізь неї безпосередньо. Однак у суцільному золотому шарі зроблені хрестоподібні вирізи і по їх периметру прокладені тонкі нагрівальні електроди, зроблені з титану.
Суть роботи нового пристрою полягає в тому, що нагрівання змінює локальні оптичні властивості поверхні в даній точці, в результаті чого проходить випромінювання відхиляється на деякий певний кут. Ефект виникає завдяки тому, що при нагріванні вище деякої порогової температури оксид ванадію (VO2) стає оптично активним, тобто зрушує фазу електромагнітної хвилі прохідного випромінювання і зміщує пік резонансної кривої пропускання. У результаті падаюче вертикально на метаповерхність випромінювання певної частоти виходить під деяким кутом - аналогічно тому, як це відбувається при заломленні світла.
Важливо, що кожним з елементів можна керувати незалежно і в пристрої немає ніяких рухомих частин. У результаті кожен з нагрівальних елементів управляється незалежно від інших, що дозволяє ефективно контролювати випромінювання, не маючи на поверхні ніяких рухомих елементів.
Важливо, що кожен з елементів поверхні, що нагрівається власним титановим електродом, ніяк не впливає на сусідні, тобто на поверхні фактично утворюються незалежні один від одного фазовращающие антени, параметри яких можуть контролюватися користувачем за допомогою програмованого мікрочіпа. У певному сенсі робота пристрою нагадує фазовану антенну решітку, проте в даному випадку кожен елемент метаповерхності діє незалежно від інших, що дозволяє формувати майже довільну картину пропускання світла.
У рамках існуючих технологій досить просто зробити мікроелектронні схеми, що керують навіть дуже маленькими нагрівальними елементами на поверхні метаматеріалу незалежно від інших. Такі схеми відомі надзвичайно давно і отримали втілення в комп'ютерах та інших сучасних електронних пристроях. Основна складність полягає в тому, щоб нанести нагрівальні елементи на поверхню метаматеріалу, зробивши їх надзвичайно маленькими, і підключити до них мікрочіп, що і вдалося досягти авторам.
Для прикладу на врізі показано, як діє один з елементів поверхні метаматеріалу, коли струм нагрівального елемента становить 13 міліампер. В результаті зміщення положення резонансу і зсуву фази всі електромагнітні хвилі частотою 92 гігагерці будуть відхилятися цим елементом на кут 59 градусів.
Зараз зусилля багатьох дослідників зосереджені на пошуку нових метаматеріалів з оптично активною поверхнею. Поверхню таких метаматеріалів називають також метаповерхностями. Вони перетворюють падаюче випромінювання, змінюючи амплітуду, фазу і поляризацію електромагнітної хвилі. Метаповерхності є головним компонентом просторових модуляторів світла, які застосовуються в цілому ряді сучасних технологій: космічного зв'язку, лідерів (лазерних локаторів), створення та обробки зображень, голографії та багатьох інших. Крім того, просторові модулятори світла дозволяють розвивати технології безпеки, зокрема дистанційне зондування, дистанційне спостереження і навігацію в умовах поганої видимості.
На жаль, щоб працювати з видимим світлом, активні елементи метаповерхності повинні мати характерні розміри набагато менше, ніж довжина хвилі червоного світла, тобто набагато менше 700 нанометрів. Метаматеріали з такими характерними розмірами окремих елементів дуже важко створити, і в справжньому дослідженні авторам вдалося отримати хороші результати лише з випромінюванням частоти 100 гігагерц, а значить, з довжиною хвилі 3 міліметри, що поки досить далеко від видимого світла.