Физики из университета ИТМО создали полимерный квазикристалл, который локализовал свет. Для его изготовления они использовали метод трехмерной лазерной печати в гибридном полимерном материале. Работа опубликована в Advanced Optical Materials.
Квазикристаллы, как и обычные кристаллы, имеют дальний порядок, но не имеют трансляционной симметрии. Обычный кристалл состоит из одинаковых фрагментов, которые располагаются строго определенным образом. То есть, имея образец элементарной ячейки, можно построить целый кристалл. Квазикристаллы тоже состоят из простых ячеек, но их может быть две или три, они по-разному комбинируются и не имеют такой симметрии, как обычный кристалл. Особенная структура квазикристаллов определила их необычные свойства, в том числе и оптические.
Один из способов изготовления квазикристаллов — трехмерная лазерная печать (она во многом схожа с фотолитографией, где используют лазерный пучок для воздействия на поверхность фоточувствительного материала). В трехмерной лазерной печати благодаря двухфотонному поглощению удается создавать структуры не только на поверхности, но и в объеме. Для этого луч фокусируется на заданной глубине материала и из-за большой интенсивности излучения в фокусе облученная область меняет свою структуру. Если после этого поместить такой частично облученный материал в растворитель, то все необлученные области растворятся и останется только желаемая структура (может быть наоборот — после проявки растворяется облученная часть структуры, это зависит от типа фоточувствительного материала).
Возможность квазикристаллов локализовывать свет была предсказана теоретически еще в 2017 году. Теперь российские физики из университета ИТМО под руководством Михаил Рыбина (Mikhail V. Rybin) смогли подтвердить это экспериментально и обнаружить особенности такой локализации. Они изготовили два типа квазикристаллов — квазикристалл, ориентированный вдоль оси второго порядка и квазикристалл типа «охапка дров». Картина дифракции квазикристаллов на длине волны 532 нанометров (в десятки раз меньше размера квазикристаллов) показала, что оба типа квазикристаллов имеют порядки симметрии выше, чем обычные кристаллы. Кроме этого, дифракционная картина любой структуры несет информацию о структуре энергетических уровней квазикристалла, что важно для возможности удержания света.
Понять, действительно ли свет задержался на какое-то время в квазикристалле, позволяет послесвечение. Кристалл облучают световыми импульсами и следят за временем и характером затухания сигнала после прихода каждого импульса. Обычно, затухание происходит по экспоненциальному закону. В случае квазикристалла типа «охапка дров» именно так и происходило, а для другого типа квазикристалла аппроксимация единственной экспоненциальной кривой оказалась недостаточной. То есть в таком кристалле происходит затухание не одного, а двух разных процессов. Причем, один их них затухает быстро, как и для «охапки дров», а второй в несколько раз медленнее. Ученые показали, что такой медленный процесс происходит в упорядоченных структурах.
Авторы сравнивали продемонстрированную локализацию света в апериодичных квазикристаллах с локализацией в неупорядоченных структурах (андерсоновская локализация). Несмотря на схожесть в механизме самого процесса локализации, критерии для этих случаев отличаются. Локализация света в квазикристаллах возникает в случаях, когда расстояние между точками рассеяния значительно больше длины волны падающего света, что невозможно в неупорядоченных структурах.
Оказывается, квазикристаллы можно обнаружить и в природных объектах. Так, геологи из Италии и Америки обнаружили один из типов квазикристалла в обломках метеорита «Хатырка». А, геохимики из Калифорнийского технологического института смогли воссоздать в лаборатории рождение этого квазикристалла и объяснили его возможное происхождение.
Оксана Борзенкова