Ostatnie lata przyniosły niesamowity postęp w badaniach podstawowych związanych z fotoniką. Było to możliwe zarówno dzięki nowym narzędziom badawczym pozwalającym na wytwarzanie i charakteryzację struktur fotonicznych, jak i ze względu na rozwój zaawansowanych metod elektrodynamiki obliczeniowej, które okazały się kluczowe dla zrozumienia zjawisk fizycznych w mikro i nanoskali. Na tych fundamentach narodziła się koncepcja metamateriałów. Są to struktury, których unikalne własności optyczne w większym stopniu związane są z geometrycznym ułożeniem podfalowej wielkości elementów, niż z własnościami użytych materiałów składowych.

Tematyka metamateriałów stała się jednym z najbardziej ekscytujących zagadnień we współczesnej optyce. Zdolność odbierania, modulowania lub emitowania fal elektromagnetycznych jest zasadą działania niezliczonej ilości urządzeń technologicznych, które stanowią podstawę współczesnego świata. Należą do nich m.in. ultraszybkie modulatory światła, przestrajalne filtry częstotliwościowe czy też urządzania wykorzystujące elektrycznie kontrolowane efekty nieliniowe.

Nasze badania nad zjawiskami optycznymi w metamateriale wielowarstwowym obejmują tematycznie różne zagadnienia naukowe, począwszy od liniowej i nieliniowej optyki, poprzez koncepcję metamateriałów, a kończąc na fizyce półprzewodników. Dają nam wgląd w interakcje światła z warstwami akumulacyjnymi w geometrii wielowarstwowej. Pogłębiają naszą wiedzę o procesie powstawania warstw akumulacyjnych nośników i procesach międzyfazowych. Zagadnienie elektrycznie strojonych metamateriałów badamy zarówno teoretycznie, jak i numerycznie oraz eksperymentalnie w Laboratorium Nanostruktur Fotonicznych i Plazmonicznych.

Punktem wyjścia naszych badań jest zjawisko powstawania na granicy między dielektrycznym tlenkiem a półprzewodnikiem warstwy akumulacyjnej nośników. Taka warstwa tworzy się, jeśli materiał zawierający granicę półprzewodnik-dielektryk umieścimy w w zewnętrznym polu elektrycznym. Naszym głównym celem jest zbadanie w jaki sposób elektrycznie kontrolowany proces tworzenia warstw akumulacyjnych wpływa na liniowe i nieliniowe właściwości optyczne metaliczno-dielektryczno-półprzewodnikowego metamateriału wielowarstwowego. Chcemy wykazać, że unikalne cechy metamateriałów, takie jak np. np. filtracja częstotliwości przestrzennej i czasowej, dyspersja hiperboliczna, nadrozdzielcze obrazowanie, całkowita absorpcja czy też własności nieliniowe, mogą być modyfikowane w całym zakresie widmowym (tj. od światła widzialnego po podczerwień) jedynie za pomocą przyłożonego napięcia.

Doktorant Zakładu Optyki Informacyjnej, Alexander Korneluk, pod opieką dr. Tomasza Stefaniuka, wytworzył już pierwsze działające struktury wielowarstwowe. Przeprowadzone badania z wykorzystaniem elipsometru, t.j. urządzenia, które na podstawie stanu polaryzacji światła określa własności optyczne materiału, wykazały, że w uformowanej warstwie akumulacyjnej udało się uzyskac zmiany wartości współczynnika załamania na poziomie 0.35 dla długości fali 1500 nm oraz 50% zmianę koncentracji nośników przy napięciu 2.5V. Dla porównania, zmiany jakie otrzymuje się w zwykle stosowanych w modulatorach optycznych materiałach są od 100 do 100 000 razy słabsze.