Физики получили водный аналог поверхностного плазмон-поляритона

Китайские физики продемонстрировали возбуждение водного аналога однонаправленного поверхностного плазмон-поляритона. В роли диэлектрика при этом выступила вода в неглубоком бассейне, а в роли металла — вода вблизи метаматериала, представляющего собой 3D-печатную пластиковую стенку с бороздками. Эксперимент подтвердил, что при правильных параметрах водяные волны распространяются в близи поверхности стенки только в одном направлении. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Самым первым волновым процессом, с которым столкнулся человек, стали колебания водной поверхности. Со временем люди поняли, что волновыми свойствами может обладать множество физических явлений: звук, свет, деформации, а также тепло, частицы и гравитация. Как ни странно, лучше всего человек подчинил себе электромагнитные волны. Мы не только научились искажать их волновой фронт, превращая сходящуюся волну в расходящуюся и наоборот с помощью линз, но и умеем управляемо вторгаться в их фазу с помощью метаматериалов и метаповерхностей. Последнее позволило делать объекты невидимыми, отрицательно преломлять свет и нарушать закон обратимости световых лучей.

Прогресс в создании необычных оптических материалов подстегнул аналогичные исследования в других волновых разделах физики. Так, мы уже рассказывали, как физики реализовали отрицательное преломление для звука и электронов. Аналогичный эффект был обнаружен и для волн на поверхности воды. В случае с водой контроль за распространением волн имеет важное значение для нужд судоходства и защиты окружающей среды, поэтому ученые активно ищут водные аналоги оптических метаматериалов.

В русле этого поиска Хуаньян Чэнь (Huanyang Chen) с коллегами из Сямэньского университета изготовили структуру, на поверхности которой наблюдается водный аналог однонаправленного поверхностного плазмон-поляритона. Поверхностные плазмон-поляритоны представляют собой гибридные возбуждения, возникающие на границе металл-диэлектрик под воздействием света. Их можно представить себе как постоянное превращение электромагнитных волн в диэлектрике (поляритонов) в зарядовые волны в металле (плазмоны) и наоборот. Особенностью плазмон-поляритонов стало то, что они локализованы в очень узком поверхностном слое, во много раз меньшим, чем длина волны. Этот факт делает их полезным инструментом для микроскопии с субволновым разрешением.

Чтобы воспроизвести аналогичный эффект для воды, физикам нужны были соответствующие эквиваленты диэлектрика и металла. Для начала они обратили внимание на то, что уравнения мелкой воды (то есть для воды с малой глубиной) эквивалентны уравнениям для поперечной магнитной (TM) компоненты электромагнитного поля. При этом напряженности магнитного поля можно поставить в соответствие давление на поверхности воды, а магнитной индукции — ее вертикальное смещение. Таким образом, в роли диэлектрика может выступить вода небольшой глубины.

Для металлов же характерен отрицательный показатель преломления. На языке водных волн показатель преломления соответствует глубине. Оказалось, что эффект отрицательной глубины можно получить, если заставить поверхностную волну дифрагировать на массиве бороздок, нанесенных на стену и напоминающих дифракционную решетку. Аналитические и численные расчеты показали, что такой эффект возникает только для определенных геометрических соотношений бороздок и расстояний от источника волн до стенки.

Наконец, поверхностные плазмон-поляритоны обладают еще одним интересным свойством. Они становятся строго однонаправленными, если возбуждающий их свет обладает круговой поляризацией. В этом случае направление движения плазмон-поляритона определяется направлением вращения плоскости поляризации. В водном аналоге роль света с круговой поляризацией играют волны, закрученные по кругу. Расчеты показали, что в этом случае поверхностная волна распространяется только в одном из направлений, сильно прижавшись к границе.

Физики проверили свои расчеты с помощью экспериментов. Они наливали воду в небольшой бассейн, оставляя глубину равной 1,5 сантиметра. Одна из стенок бассейна была напечатана на 3D-принтере из PLA-пластика. Она содержала бороздки с периодом 0,909 сантиметров, интервалом 0,455 сантиметров и глубиной 0,773 сантиметра. Другие стенки бассейна авторы проложили мягкими губками, чтобы подавить отражение.

Исследователи возбуждали в бассейне круговые волны с длиной волны равной пяти сантиметрам с помощью маленького винта. Они убедились, что, когда расстояние от винта до стены составляет 0,2 длины волны (1 сантиметр), поверхностные волны существуют только с одной стороны. Для наглядности они положили на воду по паре легких шариков с каждой стороны. Шарики, подгоняемые водными плазмон-поляритонами, двигались к стенке, в то время как противоположная пара почти не смещалась.

Волны воды могут служить эквивалентом не только для оптических, но и для гравитационных эффектов. Ранее мы писали про то, как физики с их помощью изучили взаимодействие черной дыры с внешним полем.

Марат Хамадеев