Учёные создали оптический прибор, который перепрограммируется лазером без проводов

Обычно оптические приборы проектируют под конкретную задачу. Если требуется изменить их функцию, нужно заменить компоненты, переделать систему или создать новое устройство с нуля. Это особенно актуально для больших языковых моделей вроде ChatGPT или Claude: каждый запрос требует множества электрических сигналов, проходящих через компьютерные чипы для передачи информации и выполнения расчётов — процесс, требующий огромных энергозатрат.

Метаповерхность с жидкими кристаллами

Исследователи из ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems при Австралийском национальном университете в сотрудничестве с учёными из Nottingham Trent University (Великобритания) и Friedrich Schiller University Jena (Германия) объединили ультратонкую оптическую поверхность с жидкими кристаллами — материалом, используемым в электронных дисплеях.

Устройство представляет собой метаповерхность — тонкий материал, покрытый структурами размером меньше ширины человеческого волоса. Эти микроструктуры контролируют свойства света: цвет, интенсивность и направление. Руководитель исследования Ziwei Yang объясняет: «Функцию статической метаповерхности невозможно изменить после её изготовления. Но, направляя свет на жидкий кристалл, мы получили способ перестраивать эту функцию без повторного производства устройства».

Как работает лазерное управление

Обычно в электронных дисплеях движение молекул жидких кристаллов контролируется электричеством через электроды. Исследователи проверили, может ли сам свет вращать молекулы и изменять работу прибора.

Когда лазер направляли на устройство, он создавал крошечное вращающее усилие, известное как оптический момент, который вращал молекулы жидкого кристалла. Это изменяло оптические условия вокруг кремниевых структур и перестраивало то, как метаповерхность взаимодействовала со светом. По словам Yang, эксперименты с использованием света для управления жидкими кристаллами известны с конца 1990-х годов, но эффект был слабым и сложно наблюдаемым. Добавление метаповерхности сделало изменения намного более заметными: «Метаповерхность работает как платформа или даже как усилитель».

От резонанса к нелинейной оптике

На первом этапе команда показала, что лазер может изменять резонанс метаповерхности — длину волны света, с которой она взаимодействует наиболее сильно. Это можно сравнить с раскачиванием качелей: когда каждый толчок совпадает с естественным ритмом, эффект усиливается.

Однако самый интересный результат появился, когда исследователи перешли в область нелинейной оптики — когда очень интенсивный свет взаимодействует с материалом и создаёт эффекты, которые не происходят при обычном освещении. Команда использовала устройство для преобразования невидимого инфракрасного света в видимый жёлто-зелёный свет через процесс, называемый генерацией третьей гармоники. По мере того как лазер вращал жидкие кристаллы, он смещал резонанс метаповерхности, увеличивая или уменьшая количество производимого видимого света в зависимости от используемой длины волны.

Перспективы для энергоэффективности

Результаты опубликованы в журнале Science Advances. Разработка открывает путь к созданию адаптивных оптических систем, которые можно перестраивать без физического вмешательства. Это особенно значимо для будущих вычислительных систем, где замена электрических сигналов на световые может существенно снизить энергопотребление.

Это данные исследования, а не медицинский совет.