Физики из Московского физико-технического института и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН предложили устройство нового двумерного метаматериала, обладающего отрицательным коэффициентом преломления. Его рабочий диапазон может лежать в видимой области, соответствующей фиолетовому и голубому частям спектра. Авторы предполагают, что в будущем такие материалы могут быть использованы в чипах фотонных компьютеров. Исследование опубликовано в журнале Optical Material Express, кратко о нем сообщает пресс-релиз, поступивший в редакцию N+1.
Предлагаемый материал состоит из упорядоченного массива пар серебряных цилиндров, разделенных небольшими промежутками. При поглощении цилиндрами кванта света, в них возникают коллективные колебания электронов — плазмоны. Затем происходит переизлучение квантов света, направление которого зависит от строения метаматериала. При этом каждая пара цилиндров выступает как вторичный источник излучения, то есть результирующее излучение описывается законами дифракции.
Физики с помощью компьютерного моделирования определили, при каких размерах цилиндров и расстояниях между ними переизлучение происходит так, словно бы свет прошел через среду с отрицательным коэффициентом преломления. Иначе говоря, авторы добивались того, чтобы фотоны, падавшие на материал под определенным углом отражались или преломлялись в «неправильную» сторону. Оказалось, что эффективность отражения или преломления зависит от того, как именно расположены цилиндры в парах: в плоскости материала или друг над другом. Изменение геометрии приводило к изменению работы материала от «неправильно» отражающего к преломляющему.
Для длины волны излучения в 440 нанометров оптимальные параметры для преломляющего материала таковы: длина цилиндров составляет около 310 нанометров, радиус 53 нанометра, а расстояние внутри пар — 1,9 нанометра. Цилиндры при этом располагаются в плоскости материала. Авторы отмечают, что изготовить материал с идеально гладкими наноцилиндрами, разделенными строго заданным расстоянием, очень трудно. Однако, в случае успеха, эффективность аномального преломления в нем может достигать 70 процентов, для отражающего аналога — 80 процентов. Теоретически, возможно добиться и 100-процентной эффективности, однако этому мешает электрическое сопротивление металла.
Метаматериалами называются те материалы, свойства которых обусловлены их геометрической структурой, нежели веществом, из которого они изготовлены. Среды с отрицательным коэффициентом преломления — один из видов этих материалов. В отличие от привычных сред, отражение и преломление в них происходит в том же направлении, откуда пришел луч. Это приводит к необычным эффектам, к примеру, плоская пластинка из метаматериала оказывается собирающей линзой.
Первые примеры материалов с отрицательным коэффициентом преломления представляли собой периодические массивы небольших С-образных антенн. В отличие от предложенной авторами среды, они могли работать лишь с микроволновым излучением. Одним из применений, разрабатываемых для таких объектов, является микроскопия с разрешением превышающим дифракционный предел. Кроме того, на основе метаматериалов возможно создание плащей-невидимок.
Владимир Королёв