Исследователи-инженеры из Университета Юты в настоящее время разработали такое устройство, которое можно настраивать на лету, чтобы придать свету различную степень круговой поляризации. Поскольку информация может храниться в свойстве света, известном как хиральность, устройство исследователей могло бы служить многофункциональным, реконфигурируемым компонентом оптической вычислительной системы.

Исследование, демонстрирующее устройство, было опубликовано в журнале Nature Communications под руководством Вейлу Гао, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники, и Джичао Фана, кандидата наук в его лаборатории в инженерном колледже Джона и Марсии Прайс.

Хиральный свет относится к электромагнитным волнам, которые проявляют направленность; они могут быть как левосторонними, так и правосторонними. Эта "управляемость" возникает из-за вращения магнитных полей по мере распространения света, создавая спиральную структуру.

"Традиционная киральная оптика была похожа на резной камень - красивый, но застывший", - сказал Гао. "Это сделало их бесполезными для приложений, требующих управления в режиме реального времени, таких как реконфигурируемые оптические вычисления или адаптивные датчики".

"Мы создали "живую" оптическую материю, которая эволюционирует с помощью электрических импульсов, - сказал Фан, - благодаря нашей гетероструктуре из выровненных углеродных нанотрубок с фазовым переходом, которая объединяет управление светом и память в единую масштабируемую платформу".

Эта "гетероструктура" состоит из множества различных тонких пленок, включая набор выровненных углеродных нанотрубок с различной ориентацией. Другие пленки в пачке состоят из германия-сурьмы-теллура, хорошо известного "материала с фазовым переходом" или PCM. Электрический импульс, проходящий вдоль слоя углеродных нанотрубок, выделяет тепло, что, в свою очередь, приводит к переходу внутренней структуры слоя PCM из аморфной в кристаллическую.

"Углеродные нанотрубки одновременно действуют как хиральные оптические элементы и прозрачные электроды для переключения PCM, устраняя необходимость в отдельных компонентах управления", - сказал Фан.

Важно отметить, что это изменение изменяет круговой дихроизм гетероструктуры, что означает, что ее можно заставить поглощать различные типы циркулярно поляризованного света с разной силой. Достижения исследовательской группы в области технологий производства и проектирования с использованием искусственного интеллекта позволили собрать эти слои в многослойную гетероструктуру без ухудшения их индивидуальных оптических свойств.

После сборки слои избирательно уменьшают количество света с левой или правой круговой поляризацией, который проходит через них, в зависимости от состояния слоя PCM. И поскольку это изменение фазы может быть инициировано электрическим импульсом, общий круговой дихроизм структуры можно регулировать в режиме реального времени.

Исследователи смогли достичь этого в масштабе пластин благодаря масштабируемому производству выровненных углеродных нанотрубок и пленок из материалов с фазовым переходом.

Возможность изменять круговой дихроизм устройства дает исследователям точный контроль над тем, в каком направлении вращается циркулярно поляризованный свет, что означает, что его "ручность" может использоваться в качестве памяти в оптической схеме. В дополнение к преимуществу света в скорости перед электричеством, у света есть дополнительные свойства, при которых информация может храниться параллельно.

"Добавляя круговой дихроизм в качестве независимого параметра, мы создаем ортогональный информационный канал", - сказал Гао. "Его настройка не влияет на другие свойства, такие как амплитуда или длина волны".

Исследование было поддержано Национальным научным фондом посредством грантов № 2230727, № 2235276, № 2316627 и № 2321366.