Международная команда учёных из России, Китая и ОАЭ создала прототип компактной линзы на базе углеродных нанотрубок.
Устройство способно изменять интенсивность пропускаемого излучения, что открывает новые перспективы для медицинского оборудования и кибернетики. В проекте участвовали специалисты из МФТИ, «Сколтеха», ИТМО, РАН и научных центров Китая и ОАЭ. Работа финансировалась Российским научным фондом и программой «Клевер».
Терагерцовое излучение занимает уникальное место в электромагнитном спектре. Оно легко проникает через неметаллические материалы и безопасно для живых клеток, что делает его альтернативой рентгену для исследования внутренних структур организма без вреда. Терагерцовые волны также важны для создания сотовых сетей 6G, которые будут в десятки и сотни раз быстрее 5G.
До этого момента не существовало гибких и компактных систем для управления терагерцовыми волнами, включая динамические линзы. Существующие устройства для фокусировки этих волн были громоздкими и статичными.
Чтобы решить эту проблему, учёные разработали ультратонкую и гибко настраиваемую линзу на основе углеродных нанотрубок. Линза состоит из зонной пластины Френеля, интегрированной в электрохимическую ячейку.
Между двумя кварцевыми пластинами находится тонкий слой ионной жидкости и плёнка из нанотрубок с узором из концентрических колец. Внутри устройства расположены золотые контакты, выполняющие роль электродов. Активный слой из нанотрубок имеет толщину всего 40 нанометров.
Мария Бурданова из Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ отметила, что терагерцовый диапазон остаётся малоизученным. Это создаёт проблему дефицита элементов для работы с этим излучением, включая линзы для его фокусировки. Традиционно использовались статичные линзы из кремния или TPX с фиксированными параметрами. Новое устройство позволяет динамически регулировать эти параметры, открывая возможности для адаптивной оптики в медицине, безопасности и будущих системах связи.
Дмитрий Красников из «Сколтеха» добавил, что углеродные нанотрубки — не единственный материал, способный изменять свойства под воздействием внешних полей. Однако они обладают оптимальными характеристиками по масштабируемости, технологичности и эффективности. Команде удалось настроить материал на разных уровнях.
В отличие от обычных линз, которые фокусируют свет за счёт разницы фаз, дифракционный элемент типа плоской зонной пластинки Френеля направляет свет с помощью набора концентрических колец, пропуская только те волны, которые складываются в чёткую точку.
Свойства линзы можно менять с помощью напряжения от -2 до +2 вольт. Это приводит к движению ионов в жидкости, создающих двойной слой, который «заряжает» плёнку из нанотрубок. Это изменяет её оптические свойства и регулирует прозрачность для терагерцовых волн. Таким образом, можно дистанционно и плавно управлять интенсивностью луча в фокусе на 20% и +15%.
Альберт Насибулин из «Сколтеха» подчеркнул, что самые впечатляющие результаты достигаются на стыке наук. Команды из ИТМО, МФТИ и «Сколтеха», обладающие разными компетенциями в электрохимии, фотонике и материаловедении, создали актуальное и полезное решение.
Прототип «умной» линзы успешно прошёл лабораторные испытания и запатентован. Сейчас команда работает над увеличением скорости отклика системы и созданием сборок из нескольких линз с независимыми фокусами. В уже скором будущем планируется разработать многослойные структуры с несколькими независимо управляемыми фокусами. Такие линзы хорошо себя покажут в технологиях дополненной реальности(AR).