Группа ученых из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН предложила двумерный метаматериал из серебряных элементов, необычно преломляющий свет. Исследование опубликовано 18 ноября в Optical Material Express. В будущем подобные структуры могут быть использованы для разработки компактных оптических устройств, а также для создания «плаща-невидимки».
Результаты компьютерного моделирования, проведённого авторами, показали высокую эффективность работы материала для света с длиной волны 400-500нм (фиолетовый, синий и голубой цвет). Эффективностью в данном случае называют процент света, рассеянного в нужном направлении. Она составляет около 70% для преломления и около 80% для отражения света. Теоретически эффективность может достигать 100%, но в реальных металлах существуют потери, связанные с омическим сопротивлением.
Метаматериал — материал, свойства которого обусловлены искусственно созданной периодической структурой. Приставка “мета” (с греч. μετά — вне) указывает на то, что характеристики материала выходят за пределы, которые мы привыкли видеть в природе. Чаще всего, говоря о метаматериалах, имеют в виду материалы с отрицательным показателем преломления. При падении света на поверхность такого материала преломленный луч лежит по ту же сторону от нормали к поверхности, что и падающий. Разницу поведения света в среде с положительным и отрицательным показателем преломления можно увидеть на примере палочки погруженной в жидкость.
Существование веществ с отрицательным показателем преломления было предсказано еще в середине XX века. В 1976 году советский физик В. Г. Веселаго опубликовал статью, в которой теоретически описал их свойства, в том числе необычное преломление света. Сам термин «метаматериал» для таких веществ был предложен Роджером Уэлсером в 1999 году. Первые образцы метаматериалов представляли из себя массивы из тонких проволочек и работали только с микроволновым излучением
Однако для получения необычных оптических эффектов не обязательно нужен объемный метаматериал. Манипулировать светом можно и при помощи двумерных структур, так называемых метаповерхностей. По сути, это — тонкие пленки, составленные из отдельных элементов.
.jpg "image00 (2).jpg")
Пример метаповерхности, позволяющей реализовать отрицательное лучепреломление. Источник изображения: Birck Nanotechnology Center, Purdue University
Принцип работы метаповерхности основан на явлении дифракции. Любой плоский периодический массив представляет из себя дифракционную решетку, которая «расщепляет» падающий на нее свет на несколько лучей. Количество и направление лучей зависит от геометрических параметров: угла падения, длины волны и периода решетки. Структура элементарной ячейки, в свою очередь, определяет, как распределится между лучами энергия падающего света. Для получения отрицательного показателя преломления нужно, чтобы все дифракционные лучи кроме одного были подавлены, тогда весь падающий свет будет перенаправлен в нужном направлении.
Именно эта идея лежит в основе недавней работы группы ученых из МФТИ и ИТФ им. Ландау. Элементарная ячейка предложенной ими решетки представляет собой пару близко расположенных серебряных цилиндров радиусом порядка 100 нанометров (см. рисунок). Такая структура проста и работает в оптической области, в то время как большинство аналогов обладают более сложной геометрией и работают только с микроволновым излучением.
Эффективное взаимодействие пар металлических цилиндров со светом происходит благодаря эффекту плазмонного резонанса. Свет поглощается металлическими стержнями, заставляя электроны в металле колебаться, и переизлучается. Исследователям удалось подобрать параметры ячейки таким образом, чтобы результирующий оптический отклик решетки соответствовал аномальному (т.е отрицательному) преломлению падающей волны (см. рисунок). Интересно, что поменяв ориентацию пар цилиндров, можно получить эффект аномального отражения. Отметим, что схема работает в широком диапазоне углов падения.
Полученные результаты могут быть применены для управления оптическими сигналами в ультракомпактных устройствах. Здесь речь идет прежде всего о технологиях оптической передачи и обработки информации, которые в будущем помогут ускорить работу компьютеров. Используемые в современных чипах электрические межсоединения работают на пределе своих пропускных способностей и тормозят дальнейший рост производительности вычислительных систем. Для перехода от электрических межсоединений к оптическим необходимо уметь эффективно управлять оптическими сигналами на наномасштабе. Во многом именно на решение этой задачи направлены усилия научного сообщества по созданию структур, способных «поворачивать» свет в нужном направлении.
Следует отметить, что экспериментальная демонстрация аномального рассеяния с помощь описанной выше решетки требует изготовления гладких металлических цилиндров, разделенных очень маленьким (менее 10 нанометров) зазором. Это достаточно сложная практическая задача, решение которой может стать прорывом для современной фотоники.
