Создан материал с бесконечной фазовой скоростью света

Группа ученых из Гарвардского университета спроектировала и экспериментально продемонстрировала первый метаматериал с нулевым показателем преломления, пригодный для использования в оптических интегральных схемах. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Photonics.

С развитием нанотехнологий бурное развитие получили технологии создания метаматериалов — то есть искусственных материалов, свойства которых определяются структурой составляющих их элементов. Это привело к тому, что сегодня можно создать материал с практически произвольными наперед заданными оптическими свойствами, в том числе и такими, которые сложно найти в природе.
Особый интерес вызывает возможность создания метаматериалов с нулевым показателем преломления. Как известно, показатель преломления равен отношению фазовых скоростей световой волны в вакууме и в материале. Это означает, что в средах с нулевым показателем преломления фазовая скорость бесконечна.

Фазовая скорость — это характеристика волны, показывающая с какой скоростью бегут ее «горбы» и «впадины». Несмотря на то, что интуитивно кажется, что это и есть скорость распространения волны, на самом деле, это не так. Скорость распространения волны (или, вернее, волнового импульса) равна скорости, с которой бежит ее огибающая, и она равна так называемой групповой скорости волн. Образно разницу между фазовой и групповой скоростью можно себе представить как поезд (это волновой импульс) по бокам которого бегут огоньки горизонтальной гирлянды (это «горбы» волны). Очевидно, что огоньки могут бежать с произвольной скоростью и эта скорость никак не влияет на то, насколько быстро они доедут из Москвы в Петербург. Таким образом, фазовая скорость может быть как сколь угодно малой, так и сколь угодной большой — вплоть до бесконечности — и это не нарушает принципа относительности Эйнштейна, поскольку фаза волны не переносит ни информацию, ни энергию.
Бесконечность фазовой скорости означает, что во всех точках среды оптическое поле колеблется совершенно одинаково — оно меняется во времени, но в каждый из моментов времени оно совершенно одинаковое во всех точках пространства. Возвращаясь к образу с поездом и гирляндой, это будто лампочки гирлянды зажигаются не одна за другой, а все одновременно, и также одновременно гаснут.

Что можно сделать с помощью оптического элемента, в котором показатель преломления равен нулю? Поскольку во всех точках такого элемента оптическое поле ведет себя одинаково, в нем исчезает выделенное направление распространения волны. При этом свет выходит из такого элемента всегда перпендикулярно его границам — какими бы сложными они не были. Это означает, что с помощью сред с нулевым показателем преломления можно быстро менять направление распространения световых пучков, изгибать их, закручивать и даже уменьшать их диаметр до нанометровых размеров. Это делает такие среды чрезвычайно привлекательными для использования в оптических интегральных схемах.

Как известно, вся существующая электроника работает на основе электронных интегральных схем — сложных микроэлектронных устройств, принцип работы которых основан на передаче сигналов в виде электрического тока. Повысить скорость работы подобных устройств можно было бы за счет использования вместо электронов фотонов, то есть света. Именно эта идея и реализуется в оптических интегральных схемах, где информация переносится импульсами света, а ее обработка ведется миниатюрными оптическими элементами.

Несмотря на то, что метаматериалы с нулевым показателем преломления в оптическом диапазоне были созданы еще около 10 лет назад, их использование в оптических интегральных схемах было невозможным по ряду причин. Во-первых, большинство технологий по созданию таких материалов было основано на использовании металлических элементов. Проблема с металлами заключается в том, что в них сильны потери энергии, связанные с нагревом. Кроме того, в таких элементах было сложно обеспечить наравне с нулевым показателем преломления нулевой коэффициент отражения. Решением этих проблем стало создание в 2011 году метаматериала с нулевым показателем преломления на основе диэлектрика.

Стандартным методом создания оптических интегральных схем является планарная технология, по которой элементы выращиваются слой за слоем на плоской поверхности кремниевой подложки. К сожалению, все продемонстрированные до сих пор методы создания диэлектрических метаматериалов с нулевым показателем преломления предполагали, что при их выращивании на подложке получается слоистая структура, на которую свет должен падать перпендикулярно плоскости подложки. Это затрудняло их использование в интегральных схемах, в которых предполагается, что свет, наоборот, движется только вдоль подложки.

Сейчас физикам удалось решить и эту проблему. Авторы новой статьи спроектировали специальную схему организации диэлектрического метаматериала, при которой он может быть выращен на подложке и позволяет вводить излучение сбоку. Метаматериал представляет собой массив кремниевых столбиков высотой 690 нанометров и радиусом 211 нанометров, заключенных в полимерную матрицу, покрытую сверху и снизу слоями золота толщиной в 50 нанометров. Точный подбор параметров обеспечил нулевой показатель преломления такой структуры на длине волны 1570 нанометров, являющейся современным стандартом для оптоволоконной передачи данных. При этом структура такого материала позволяет легко состыковать его с кремниевыми волноводами.

Помимо задач создания оптических компьютеров, новый метаматериал может быть полезен и для фундаментальной науки. С его помощью можно обеспечить равенство фаз у двух разнесенных в пространстве фотонов. Такие устройства могли бы упростить создание фотонов в квантово-запутанных состояниях, необходимых для проведения экспериментов, изучающих основания квантовой физики.

Артём Коржиманов