Учёные из Великобритании придумали, как управлять светом с помощью «виртуальных» метаповерхностей. Эта технология работает быстрее, чем мы успеваем моргнуть, и может полностью изменить то, как мы делаем снимки и видим невидимое.
Что такое метаповерхности и почему они важны
Обычные линзы и зеркала громоздкие. Их заменой стали метаповерхности — плёнки тоньше человеческого волоса. Они могут фокусировать свет, менять его цвет и направление. Казалось бы, идеальное решение для крошечных камер и датчиков. Но есть одна загвоздка: сделанную метаповерхность уже не перенастроить. Её размер и форма застыли навсегда. Это очень ограничивает инженеров, которым нужен гибкий инструмент.
Виртуальная поверхность против физической
Команда из Ноттингемского университета Трента пошла другим путём. Они отказались от крошечных физических частиц, которые обычно составляют метаповерхность. Вместо них исследователи создали рисунок из света на плоской пластине. Этот световой узор работает как та самая метаповерхность, но им можно управлять. Для этого используется прибор — пространственный модулятор света. Он способен менять свойства каждого пикселя отдельно за 20 миллисекунд. Учёные назвали своё изобретение виртуальной метаповерхностью.
Невидимое становится видимым
В ходе эксперимента исследователи решили задачу, с которой обычная оптика не справляется. Они взяли инфракрасный свет — тот самый, который мы не видим глазом — и превратили его в обычную картинку. Причём изображение можно было сфокусировать на любом расстоянии без смены линз. Обычным камерам для такого нужны дорогие сенсоры и отдельная оптика. Виртуальная метаповерхность обходится без них.
Как это устроено на практике
Представьте себе волшебный ящик с инструментами. Внутри него есть и молоток, и отвёртка, и пила. Виртуальная метаповерхность работает как такой ящик, только для света. В один момент она работает как линза, в следующий — как цветной фильтр, а потом превращается в детектор. Всё это происходит в одном компактном устройстве благодаря смене светового узора.
Где пригодится новая технология
Пока технология находится на стадии доработки, но перспективы у неё огромные.
- Микроскопы и камеры нового поколения станут меньше и умнее;
- Системы квантовой связи и датчики для управления лучами света;
- Производство микросхем и голография;
- Телекоммуникационное оборудование.
Профессор Мохсен Рахмани, руководитель исследования, считает, что их работа — это переход от мира физических вещей к миру цифровых возможностей. Он сравнил это с тем, как трёхмерные виртуальные миры имитируют реальность, оставаясь при этом ненастоящими. Гибкость настройки позволяет одной и той же метаповерхности выполнять десятки разных задач.
Виртуальные метаповерхности действуют как воображаемый ящик с инструментами для оптики. Если подключить к ним искусственный интеллект, можно получить многофункциональные устройства для реальной жизни.
Учёные также сотрудничали с коллегами из итальянского Университета Брешии и китайского Нанкайского университета. Вместе они смогли создавать изображение с произвольным фокусным расстоянием. Это показывает, что технология готова к масштабированию и может быть адаптирована под разные задачи.
Основная проблема физических метаповерхностей — их неповоротливость. Они отлично работают в лаборатории, но не подходят для массового производства. Виртуальный подход снимает это ограничение. Исследователи уверены, что теперь компактные камеры, способные видеть тепловое излучение и перестраиваться на лету, станут реальностью, а не фантастикой. Статья с подробным описанием работы вышла в журнале Advanced Photonics Nexus.
