Международная группа учёных из России, Китая и ОАЭ разработала прототип компактной линзы на основе углеродных нанотрубок. Это устройство способно менять интенсивность пропускаемого излучения, что имеет большое значение для будущих систем связи и медицинского оборудования. В исследовании приняли участие специалисты из Центра фотоники и 2D‑материалов МФТИ, «Сколтеха», ИТМО, ИОФ РАН, ИФТТ РАН, а также учёные из научных центров Китая и Объединённых Арабских Эмиратов. Исследования выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда и финансовой программы «Клевер».
Терагерцовые волны занимают особое положение в электромагнитном спектре. Они легко проникают через неметаллические материалы, но при этом безопасны для живых клеток. Это свойство делает терагерцовые волны хорошей альтернативой рентгену для изучения внутренней структуры организма без вредного воздействия. Кроме того, пропускная способность терагерцового диапазона необходима для устройств сотовой связи 6G, которая будет в десятки и сотни раз быстрее 5G.
До создания прототипа в мире не существовало гибких и компактных систем управления терагерцовыми волнами, включая динамически настраиваемые линзы. Имеющиеся устройства для фокусировки таких волн представляют собой статичные, громоздкие и негибкие конструкции с жёстко заданными при изготовлении свойствами.
Для решения этой проблемы группа учёных создала прототип ультратонкой и гибко настраиваемой линзу на основе углеродных нанотрубок. Конструкция линзы представляет собой зонную пластину Френеля, интегрированную в электрохимическую ячейку: между двумя кварцевыми пластинками находится тонкий слой ионной жидкости и плёнка из нанотрубок с нанесённым узором из концентрических колец. Внутри устройства размещены золотые контакты, выполняющие роль электродов. Толщина активного слоя из нанотрубок составляет всего 40 нм.
Старший научный сотрудник Центра фотоники и 2D‑материалов МФТИ Мария Бурданова, пояснила, что терагерцовый диапазон длин волн остаётся одним из наименее изученных в спектре электромагнитного излучения. Это создаёт проблему нехватки элементов для работы с таким излучением, в том числе для его фокусировки. Традиционно используются статичные линзы из кремния или TPX с заранее заданными параметрами. Новое устройство позволяет динамически контролировать эти параметры, открывая возможности для адаптивной оптики в медицине, системах безопасности и связи будущего.
Старший преподаватель «Сколтеха» Дмитрий Красников отметил, что углеродные нанотрубки не единственный материал, способный менять характеристики под действием внешних полей. Однако по совокупности масштабируемости, технологичности и эффективности устройств они представляются оптимальным решением. Команде удалось обеспечить настройку материала на разных уровнях.
В отличие от обычных линз, фокусирующих свет за счёт разницы фаз, в дифракционном элементе типа плоской зонной пластинки Френеля свет направляется набором концентрических колец и пропускают только те волны, которые, складываясь, создают чёткую и сфокусированную точку.
Свойства такой линзы можно менять с помощью небольшого напряжения от -2 до +2 вольт. При этом ионы в жидкости начинают движение, создавая двойной слой, который «накачивает» плёнку из нанотрубок электрическими зарядами. Это меняет её оптические свойства, регулируя прозрачность для терагерцовых волн. В результате можно дистанционно и плавно регулировать интенсивность луча в фокусе в диапазоне от -20% до +15%.
Профессор Альберт Насибулин из «Сколтеха» подчеркнул, что наиболее впечатляющие результаты появляются на стыке наук. Команды из ИТМО, МФТИ и Сколтеха с разными компетенциями в электрохимии, фотонике и науке о материалах смогли создать актуальное и полезное решение.
Прототип «умной» линзы уже прошёл лабораторные испытания и запатентован. На момент написания материала научный коллектив работает над увеличением скорости отклика системы и сборками из нескольких линз с независимо управляемыми фокусами. В будущем разработчики планируют создать многослойные структуры из линз с несколькими независимо управляемыми фокусами.
Источник: habr.com