Ett internationellt team av forskare från Moscow State University (Ryssland), Sandia National Laboratories (USA), och Friedrich-Schiller University (Tyskland) har tagit fram ett ultrasnabbt inställbart metamaterial baserat på galliumarsenid-nanopartiklar. Deras studie publicerades i Naturkommunikation . Det nya optiska metamaterialet banar väg för ultrasnabb informationsöverföring på nanoskala.

Optiska metamaterial är konstgjorda medier som får ovanliga optiska egenskaper på grund av nanostrukturering. I nästan 20 år, forskare har designat många metamaterialbaserade enheter, inklusive de som gömmer föremål för de som är känsliga för små koncentrationer av ämnen. Dock, vid tillverkning, metamaterialegenskaper förblir fasta. Teamet kom på ett sätt att slå på och "inaktivera" metamaterial, " och gör det väldigt snabbt - mer än 100 miljarder gånger per sekund.

Forskare tillverkade metamaterialet från en tunn galliumarsenidfilm genom elektronstrålelitografi med efterföljande plasmaetsning. Materialet består av en rad halvledarnanopartiklar, som resonant kan koncentrera och "hålla" ljus på nanoskala. Med andra ord, när ljuset lyser upp metamaterialet, det är "fångat" inuti nanopartiklarna och interagerar mer effektivt med dem.

Arbetsprincipen för det ultrasnabba avstämbara metamaterialet ligger i genereringen av elektron-hålpar. I det stationära tillståndet, metamaterialet är reflekterande. Sedan, forskare belyser metamaterialet med en ultrakort laserpuls. Dess energi används för att generera elektroner och elektronvakanser - "hål" - i materialet. Närvaron av elektroner och hål ändrar egenskaperna hos metamaterialet så att det inte längre är reflekterande. På en bråkdel av en sekund, elektroner och hål försvinner genom att möta varandra, och metamaterialet är åter reflekterande. På det här sättet, det är möjligt att konstruera optiska logiska element, vilket också öppnar möjligheten att skapa ultrasnabba optiska datorer.

2015, en del av samma samarbete rapporterade en liknande enhet baserad på kiselnanostrukturer. I deras nya studie, galliumarsenid användes istället för kisel, vilket ökade effektiviteten i att styra ljus via ljus i metamaterial med en storleksordning.

I framtiden, forskningen skulle kunna göra det möjligt att skapa informationsöverföringsenheter med bearbetningshastigheter på tiotals och hundratals terabit per sekund. Demonstrationen av högeffektiva avstämbara halvledarmetamaterial är ett viktigt steg mot sådana informationsbehandlingshastigheter.