A) Схема метаповерхности GaAs, содержащей КТ InAs, внедренные внутрь In _0,15 Ga _0,85 В качестве квантовых ям, выращенных на стопке РБО с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии на пластине GaAs. На схеме показан пространственно структурированный (800 нм) пучок накачки (в виде желтого периодического градиента), вызывающий сдвиг показателя преломления резонаторов, окрашенный в цвет индиго при низком |Δn|, до оранжевого при высоком |Δn|). 
B) Эскиз зонной структуры резонаторов III-V, выращенных МЛЭ, подчеркивающий влияние накачки 800 нм (вызывающей сдвиг индекса, Δn. и PL) и второй накачки 950 нм, которая только возбуждает КТ для излучения PL. 
C) Принцип управления ПЛ с диэлектрических метаповерхностей с помощью структурированной накачки. Верхние три панели показывают влияние пространственного профиля накачки на показатель преломления и пространственный фазовый профиль метаповерхности. Решетка пространственного показателя преломления создает пространственный фазовый профиль внутри резонаторов, внося импульс импульса в ФЛ. Этот толчок импульса управляет светом, излучаемым метаповерхностью. 
Кредит:Фотоника природы (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01172-6

«То, что мы сделали, — это показали, что управлять лучом некогерентного света можно», — сказал Прасад Айер, ученый из Sandia и ведущий автор исследования, о котором сообщается в текущем выпуске журнала Nature Photonics .

Некогерентный свет излучается многими распространенными источниками, такими как старомодная лампа накаливания или светодиодная лампа. Этот свет называется некогерентным, поскольку фотоны излучаются с разной длиной волны и случайным образом. Однако луч света от лазера не распространяется и не рассеивается, потому что фотоны имеют одинаковую частоту и фазу, и поэтому называется когерентным светом.

В исследовании группы они манипулировали некогерентным светом, используя искусственно структурированные материалы, называемые метаповерхностями, сделанные из крошечных строительных блоков полупроводников, называемых метаатомами, которые можно спроектировать так, чтобы они очень эффективно отражали свет. Хотя ранее метаповерхности показывали многообещающие возможности для создания устройств, которые могли бы направлять световые лучи под произвольными углами, они также представляли собой проблему, поскольку были разработаны только для когерентных источников света.

В идеале хотелось бы иметь полупроводниковое устройство, которое может излучать свет, как светодиод, направлять световое излучение на заданный угол, применяя управляющее напряжение, и изменять угол поворота на максимально возможной скорости.

Исследователи начали с полупроводниковой метаповерхности, в которую были встроены крошечные источники света, называемые квантовыми точками. Используя управляющий оптический импульс, они смогли изменить или реконфигурировать то, как поверхность отражает свет, и направить световые волны, испускаемые квантовыми точками, в разных направлениях в диапазоне 70 градусов менее чем за триллионную долю секунды, ознаменовавший значительный успех.

Подобно лазерному управлению, управляемый луч сдерживал тенденцию некогерентного света распространяться по более широкому углу обзора и вместо этого производил яркий свет на расстоянии.

Укрощение света

Подвиг, ранее считавшийся невозможным, доказательная работа команды прокладывает путь к разработкам в области нанофотоники и сверхбыстрой оптики. Возможность динамического управления некогерентными источниками света и управления их свойствами предлагает широкий спектр приложений.

Одним из способов использования с низким энергопотреблением может быть увеличение яркости экранов военных шлемов, используемых для наложения карт или чертежей на обычное зрение. «В приложениях, где пространство ценно, — сказал Айер, — с помощью этой технологии в будущем станет возможным излучение рулевого света с помощью метаповерхностных светодиодных дисплеев небольшого размера и веса. Мы можем лучше использовать излучаемый свет, а не чем просто включать и выключать их».

Этот метод также может обеспечить новый тип небольшого дисплея, который может проецировать голографические изображения на глазные яблоки с помощью маломощных светодиодов, что представляет особый интерес для устройств дополненной и виртуальной реальности. Другое применение может быть в автомобилях с автоматическим управлением, где лидар используется для обнаружения объектов на пути автомобиля.

Что касается выражения заинтересованности, у команды было несколько запросов из коммерческих источников, сказал исследователь Sandia Игал Бренер, автор статьи и ведущий научный сотрудник проекта. «Коммерческий продукт может появиться через 5-10 лет, особенно если мы хотим, чтобы вся функциональность была встроена в чип», — сказал Бренер.

«Вы бы не использовали управляющий оптический импульс, чтобы передать изменения в метаповерхности, необходимые для управления светом, а скорее сделали бы это электрическое управление. У нас есть идеи и планы, но пока рано. Представьте себе светодиодную лампочку, которая может излучать свет, чтобы следовать за вами. Тогда вы не будете тратить все это освещение там, где никого нет. Это одно из многих применений, о которых мы мечтали вместе с Министерством энергетики много лет назад, например, для энергоэффективного офисного освещения».

Точно так же прирученный свет может однажды принести пользу в сценариях, где сфокусированное освещение необходимо только в определенной интересующей области, например, в хирургии или в автономных транспортных средствах.