Создан материал с «воздушным» показателем преломления света

Исследователи из Северной Каролины разработали диэлектрическую пленку, оптические и электрические свойства которой близки к обычному воздуху. В своей работе, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, авторы используют 3D нанолитографию и атомно-слоевое осаждение для искусственного конструирования материала с коэффициентом преломления вплоть до 1.025 (у воздуха приблизительно равен единице).

Абсолютный коэффициент преломления материала — это величина, равная отношению фазовых скоростей света в вакууме и в данной среде. Обычно у плотных материалов коэффициент преломления значительно больше единицы. Если «разбавить» более плотный материал воздухом, можно добиться более низких коэффициентов преломления. Именно эту идею использовали авторы статьи для создания нового материала.

Основная трудность, с которой столкнулись исследователи — как сделать материал не только как можно менее плотным, но и сохранить прочность. Большинство ранее полученных для этой цели материалов состояли из неупорядоченных пористых структур (нанотрубок или органического стекла) и имели низкую механическую прочность, что затрудняло их применение. Кроме того, неупорядоченность часто приводила к усилению рассеяния света, чем обусловлена, например, мутная окраска аэрогелей из диоксида кремния. Авторы решили эту задачу, создав упорядоченный наноструктурированный материал, состоящий из оксида алюминия (коэффициент преломления около 1,76) или оксида цинка (около 2). 

Вначале с помощью 3D-нанолитографии ученые изготовили полимерную матрицу с упорядоченными порами внутри. Затем методом атомно-слоевого осаждения на поверхность матрицы наносили тончайшую пленку из оксида, а полимер сжигали. Таким образом, авторы получили тончайшие наноструктурированные материалы, показатель преломления которых составил от 1,3 до 1,025.

Показатель преломления – это одно из основных понятий в оптике, которое определяет характер взаимодействия между светом и материей. Например, большая разница в коэффициентах преломления является причиной появления широкой запрещенной зоны для света в фотонных кристаллах, которая является причиной их необычных свойств. Для многих применений необходимо наличие как можно большего контраста между коэффициентами преломления материалов. Самое низкое значение имеют газы, но для большинства устройств требуются твердые материалы с высокой стабильностью. Самый низкий коэффициент преломления среди твердых природных материалов имеет фторид магния MgF₂, он равен 1,37.