Метаповерхности, состоящие из наноструктур, размер которых меньше длины световой волны, позволяют точно контролировать направление, цвет и другие свойства света. Несмотря на их выдающиеся возможности, их сложная структура долгое время представляла серьезную проблему для исследователей.

Концепция направленных муаровых суперрешеток. Источник: Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-74150-5

Исследовательская группа под руководством профессора Джунсука Ро и доктора Соку Кима из POSTECH обнаружила скрытые повторяющиеся паттерны в наноструктурах, которые на первый взгляд кажутся хаотичными, что открывает новые возможности для более быстрого и точного анализа и проектирования метаповерхностей. Исследование было опубликовано в Nature Communications.

Когда нарушается периодичность

Для достижения желаемой оптической функции метаповерхности создаются путем постепенного изменения размера, формы или ориентации отдельных наноструктур. Однако по мере того, как эти структуры все больше отличаются друг от друга, периодичность всей поверхности нарушается, что затрудняет расчет взаимодействия устройства со светом.

Если структура периодическая, исследователи могут проанализировать лишь небольшую ее часть и предсказать поведение всего устройства. В отличие от периодических структур, апериодические могут потребовать отдельного расчета огромного количества отдельных наноструктур.

Метаповерхность диаметром в несколько сантиметров может содержать более 1 миллиарда наноструктур, что делает тщательное компьютерное моделирование чрезвычайно трудоемким. Поэтому традиционные подходы часто опираются либо на упрощенные допущения, либо на ресурсоемкое крупномасштабное моделирование.

Муаровый узор как ключ к скрытому порядку

Исследовательская группа сосредоточилась на идее о том, что даже структура, кажущаяся очень сложной, может содержать в себе повторяющийся порядок. Они нашли ключ к разгадке в муаровом узоре — крупномасштабной интерференционной картине, которая возникает при наложении двух регулярных узоров с немного отличающимся расположением или расстоянием между элементами. Знакомый всем пример — когда два слоя москитной сетки или тонких занавесок накладываются друг на друга.

Исследователи интерпретировали базовую решётку метаповерхности и дополнительную пространственную вариацию, введённую для перенаправления света, как два перекрывающихся паттерна. Затем они математически доказали, что, когда ориентация и расстояние между этими паттернами удовлетворяют определённым условиям, даже в структуре, которая изначально кажется апериодической, возникает крупномасштабный повторяющийся паттерн.

Проще говоря, команда определила «малую повторяющуюся единицу», которая может представлять собой огромное количество, казалось бы, разных наноструктур. В результате отпадает необходимость в непосредственном расчете всей метаповерхности большой площади. Даже для устройства, содержащего более 1 миллиарда наноструктур, его общие свойства можно проанализировать, рассчитав лишь небольшую единицу, состоящую из нескольких десятков наноструктур.

От теории к тестированию устройств

Опираясь на эту концепцию, исследовательская группа изготовила устройства с метаповерхностью и подтвердила, что свет распространяется в заданных направлениях. Этот метод также позволил исследователям четко отделить свет, распространяющийся в заданном направлении, от нежелательных каналов дифракции и рассеяния, что дало возможность быстро и точно анализировать характеристики метаповерхности.

Поскольку в основе этого подхода лежит волновая физика, он применим не только к свету, но и потенциально может быть использован для систем, включающих звук, электроны и механические колебания.

Таким образом, ожидается, что этот подход станет мощной основой для более быстрой и точной разработки оптических устройств следующего поколения, в том числе компонентов дополненной и виртуальной реальности, а также высокопроизводительных металлических линз.

Ро сказал: «Выявляя скрытый порядок в структурах, которые кажутся хаотичными, этот подход становится мощным инструментом для ускорения разработки оптических устройств следующего поколения».