Зеркало отучили изменять направление поляризации света
Группа физиков из США разработала многослойное зеркало, которое, в отличие от обычных зеркал, при отражении не меняет направление круговой поляризации света. Благодаря использованию периодического массива несимметричных отверстий в одном из слоев, поляризованный свет, закрученный в одну сторону, полностью поглощается, а закрученный в другую — отражается с сохранением поляризации, сообщают авторы работы, опубликованной в NanoLetters.
Вектор напряженности электрического поля в случае круговой поляризации может вращаться по или против часовой стрелки. Поэтому при распространении светового пучка он движется по правозакрученной или левозакрученной спирали. При отражении пучка поляризованного света под прямым углом от обычного плоского зеркала направление вращения вектора напряженности меняется на противоположное, превращая право-поляризованный свет в лево-поляризованный и наоборот.
Группа физиков под руководством Вэньшаня Цая (Wenshan Cai) из Технологического Института Джорджии предложила конфигурацию зеркала, которое при отражении поляризованного света не меняет направление его поляризации. Для такого устройства авторы работы предложили использовать искусственный метаматериал, у которого оптические свойства определяются не химическим составом, а его геометрией. Обычную отражающую поверхность из серебра покрыли слоем оксида алюминия толщиной около 150 нанометров. После этого поверх оксида алюминия химики нанесли слой золота толщиной 50 нанометров, в котором с помощью литографии сделали периодический массив из прямоугольных областей с вырезами в двух из четырех углов.
За счет своей несимметричной геометрии вырезов и наличию двух отражающей плоскостей такая многослойная поверхность ведет себя как метаматериал и по-разному влияет на поляризованный свет, в котором вектор напряженности вращается по часовой стрелке или против нее. При этом возможно две конфигурации зеркала с вырезами по разным углам отверстий.
Оказалось, что зеркало первого типа полностью поглощает левозакрученный свет и не изменяет поляризацию правозакрученного, а зеркало второго типа ведет себя ровно наоборот. Обычное зеркало полностью отражает оба типа света с круговой поляризацией, и при этом меняет направление вращения вектора напряженности поля.
Эффективность таких зеркал была показана для света с круговой поляризацией с длиной волны от 770 до 910 нанометров. При этом свет с линейной поляризацией от разработанных хиральных мета-зеркал отражается полностью.
Для наглядности ученые провели дополнительный эксперимент, в котором образец зеркала состоял из трех областей: двух хиральных зеркал разного типа и обычного зеркала. Такой материал физики облучали поляризованным светом и определяли изменение поляризации при отражении. В результате, в зависимости от изначально поляризации света, часть зеркала полностью поглощала свет, а часть — отражала. При смене поляризации картина менялась на противоположную.
По словам ученых, использование таких зеркал позволит повысить эффективность биосенсоров и устройств, в которых информация передается с помощью электрооптических методов, чувствительных к поляризации света.
Естественным метаматериалом с похожими свойствами является поверхность крыльев некоторых жуков: она отражает левозакрученный свет, сохраняя его поляризацию, и поглощает право-закрученный. Поляризация света используется учеными для различных целей: например, она позволяет записать несколько изображений на одну поверхность, а также является источником информации о вращении звезд.
Александр Дубов
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».