近日，一项发表在《自然·纳米技术》杂志上的突破性研究显示，科学家成功研发出一种超薄硅超构表面，能够在短短74飞秒（即74千万亿分之一秒）内改变光束的方向和形状。74飞秒大约仅够光穿过一根人类头发的宽度。这项实验性技术为开发远超现有光束控制硬件响应速度的新一代光学系统指明了方向，未来有望广泛应用于相机、传感器、通信网络、科学仪器以及新兴的光子计算领域。
目前，大多数用于操纵光的设备都无法跟上光本身的速度，通常需要依赖旋转的镜片、重新排列的液晶或通过电子信号改变材料特性的方式。相比于光的基本时间尺度，这些过程显得极为缓慢。为了突破这一瓶颈，加州理工学院Harry Atwater教授实验室的科研团队主导了这项研究。该研究由现任加州大学伯克利分校助理教授的Claudio Hail博士牵头，特拉维夫大学工程学院元光机电实验室主任Lior Michaeli博士共同参与完成。
研究团队开发的这种超构表面是一种极薄的光学层，上面布满了小于光波长的精细结构。与利用曲面玻璃改变光线的传统透镜不同，该超构表面利用了近乎平坦表面上精心排列的纳米级硅结构。这些结构被设计成能在瞬间捕获并聚焦光线，从而增强入射光与硅之间的相互作用。通过一种被称为“光学克尔效应”的物理现象，短暂的控制光脉冲能够改变硅的光学特性，即强光会短暂改变材料的折射率，进而决定光在其中的传播方式。虽然克尔效应可在不到一飞秒内发生，但通常由于太弱而无法产生实际效用。研究人员通过设计高品质因数的超构表面放大了这种相互作用，成功实现仅用一个光脉冲来控制另一个光脉冲，且无需任何机械运动或缓慢的电荷变化。
Hail博士表示，这项技术的核心理念在于创造一种光学响应在制造后并非固定不变的超构表面。通过改变照明模式，设备可以在超快时间尺度上重新配置引导和塑造光线的方式。在实验室测试中，研究团队成功将光束向两侧偏转了多达13度，并且可以通过改变控制脉冲的空间模式来决定偏转方向。他们还利用同样的方法重塑了出射光束，生成了不同的光图案。Atwater教授解释说，由于光通常只与物质产生微弱的相互作用，用一束光控制另一束光极具挑战性，而这种超构表面增强了这种相互作用，使极其微小和快速的材料响应能够对出射光束产生实质性的改变。
Michaeli博士强调，能够将一个探讨多年的想法变成实验现实是最令人兴奋的部分。实验观察到的切换时间接近于激光脉冲的持续时间，这意味着该超构表面本身可能尚未达到其速度极限，更短的脉冲或许能带来更快的切换。此外，由于不依赖运动部件或长寿命电荷，该表面在控制脉冲消失后能迅速重置到初始光学状态。在现代通信网络中，信息通常需要在光和电信号之间反复转换，这增加了系统的复杂性、延迟和能耗。而这种能够直接操纵光的可编程设备，未来有望让部分操作保持纯光学形式进行，为快速可重构的通信硬件、紧凑型成像系统、高级传感器、动态全息技术和光子处理器铺平道路。
尽管研究人员强调目前的实验仍处于概念验证阶段，尚未成为可以直接取代传统光学硬件的成品组件，但这项研究有力地证明了光学组件不必永远是光基系统中的性能短板。通过利用纳米结构增强原本微弱的物理效应，科学家们已经向世界展示了用一束光快速且可编程地控制另一束光的无限可能。
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