Ryska forskare har utvecklat ett nytt material som omvandlar infrarött ljus till ultrakorta pulser av ultraviolett ljus. För det här syftet, forskarna exponerade kiselfilm för en laser så att dess relief justerades under ljusets våglängd och gjorde egenskaperna hos materialet resonanta. Resultatet blev en billig och lätttillverkad metayta lika effektiv som befintliga. Den nya tekniken är tillämpbar i kompakta UV-generatorer för biofotonik och medicin, och även anordningar för ultratät databehandling i optisk kommunikation. Studien publicerades i Nanoskala .

Biologiska medier kan spegla, absorbera, sprider och återutsänder ljusvågor. Var och en av dessa processer innehåller information om medias mikro- och makrostruktur, samt dess komponenters form och rörelse. I detta avseende djup ultraviolett ljus är ett lovande verktyg för biologi och medicin. Dess applikation inkluderar laserdiagnostik och kontroll av snabba processer i celler, laserterapi och kirurgi på molekylär nivå.

Forskare från ITMO University och Saint Petersburg Academic University har utvecklat en ny metod för tillverkning av nanostrukturer, som kan omvandla infrarött ljus till djupt ultraviolett ljus. Strukturen är en film med en vanlig massa av nanoklumpar – metayta. Den genereras av utstrålande kiselfilm, vars tjocklek är 100 nanometer, med ultrakorta eller femtosekundlaserpulser som bildar dess relief. På filmytan, lasern smälter sådana nanoklumpar, som endast resonerar med dess våglängd och därmed tillåter mer strålning att omvandlas till ultraviolett. Med andra ord, lasern justerar metaytan efter sig själv. När lättnaden bildas, forskarna minskar effekten så att filmen börjar omvandla strålning utan deformation.

Forskarna har inte bara lyckats omvandla infrarött ljus till violett, men också för att få djupt ultraviolett. Sådan strålning är starkt lokaliserad, har mycket kort våglängd och distribueras som femtosekundpulser. "För första gången, vi har skapat en metayta som stabilt avger femtosekundpulser med hög effekt i det ultravioletta området, " noterar Anton Tsypkin, assistent vid ITMO:s institution för fotonik och optisk informationsteknologi. "Sådant ljus kan appliceras inom biologi och medicin, eftersom femtosekundpulser påverkar biologiska objekt mer exakt."

Till exempel, använder djup UV, forskare kan avbilda en molekyl under dess kemiska omvandling och förstå hur man hanterar den. "En femtosekund jämfört med en sekund är nästan som en sekund jämfört med universums livstid. Den är till och med snabbare än vibrationen av atomer i molekyler. Så sådana korta pulser kan berätta mycket om materiens struktur i rörelse, " säger första författaren Sergey Makarov, senior forskarassistent vid ITMO:s avdelning för nanofoton och metamaterial.

Den nya tekniken kan även hitta tillämpningar inom optisk kommunikation. "Att använda ultrakorta laserpulser för dataöverföring, vi kommer att göra flödet tätare och öka dess hastighet. Det kommer att öka prestandan hos system för överföring och bearbetning av information. Dessutom, vi kan integrera sådana metasytor i ett optiskt chip för att ändra strålens frekvens. Detta kommer att hjälpa till att separera dataflöden och möjliggöra större datoranvändning samtidigt, " kommenterar Anton Tsypkin.

Metaytan som erhålls på detta sätt är en monolitisk struktur, i motsats till att vara sammansatt av isolerade partiklar, som det var förr. Den leder värme bättre och lever därmed längre utan överhettning.

Inom fotonik, forskare måste alltid söka efter kompromisser. Standard olinjära kristaller som används för generering av ultraviolett ljus är stora, men kan omvandla upp till 20 procent av strålningen. Sådan effektivitet är högre än för metasytor, men laserpulser förlängs inuti kristaller. "Detta händer eftersom en laserstråle innehåller många våglängder som skiljer sig från varandra endast med flera decennier av nanometer. Sådan varians räcker för att få vissa vågor att överträffa andra. För att göra pulser ultrakorta igen, ytterligare dyra enheter krävs, " förklarar Makarov.

Tunna strukturer som metasytor tillåter inte laserpulser att felinrikta sig, men har fortfarande låg verkningsgrad. Vidare, både metasytor och kristaller är vanligtvis dyra och svåra att tillverka. Dock, i den nya studien, forskarna har lyckats göra metasyttillverkning mycket enklare och billigare, och på samma gång, dessa ytor är lika effektiva som deras dyra motsvarigheter.