Эксперимент, проведённый в Гарвардской школе инжиниринга и прикладных наук (SEAS), дал рекордный отрицательный показатель преломления для электромагнитных волн (при частоте в районе 1–10 ГГц).

Новый метод преломления света, основанный на ускорении электронов, обеспечивает результат в –700. Предыдущий рекорд был равен –5.

В вакууме свет, как известно, распространяется со скоростью 300 тыс. км/с. Если свет попадает в воду, стекло или любой другой более или менее прозрачный материал, скорость падает — обычно не больше, чем в пять раз. Эта величина — соотношение скорости света в среде и вакууме — называется показателем преломления. Для воздуха она чуть больше 1, для фианита — более 2,15. Материалы, в которых показатель преломления отрицателен, NNN освещает давно и упорно, что объяснимо: их развитие связано с возможностью создания суперлинз и как минимум частичной оптической невидимости.

Недавние гарвардские опыты, которыми руководил Дон Хи Хэм, принесли очень высокий отрицательный показатель преломления для электромагнитных волн с частотой в районе гигагерца. Это весьма широко используемый ультравысокочастотный диапазон, близко к которому работают и сотовые телефоны, и микроволновки. Хотя эксперимент удалось провести лишь при сверхнизких температурах (около 4 К), впервые можно говорить об успешном создании метаматериала, способного делать объекты невидимыми для радиоволн. Или использовать эффект суперлинзирования, позволяющий получать качественный приём слабого сигнала с небольшой по размеру антенной для радиоволн.

Рис. 1. Вверху: камера экспериментальной установки, в которой был получен рекордный показатель отрицательного преломления электромагнитных волн. Внизу: камера, микроскоп и изображение образцов метаматериалов, получаемое микроскопом. (Фото Eliza Grinnell / SEAS).

Для достижения рекордного показателя физики использовали полупроводниковое устройство на базе гетероструктуры Al_xGa_1-xAs, тонких плоских полосок алюминий-галий-арсенида, уложенного поверх арсенида галлия. Затем после охлаждения из гетероструктуры был получен двумерный электронный газ, в котором частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму, создаваемую электрическим полем в области гетероперехода между алюминий-галлий-арсенидом и арсенидом галлия в гетероструктуре. Таким образом, технически перед нами очередной образец метаматериала, на этот раз основывающегося на гетероструктуре.

Как и в случае с нормальными материалами, показатель преломления такого двумерного электронного газа зависел от длины электромагнитной волны, которую он преломлял. Показатель –700 — наилучший среди достигнутых — был получен для длин волн в районе 1–10 ГГц. А это значит, что

«суперлинза» для радиоволн в этом диапазоне может быть намного более миниатюрной (в сотни раз меньше длины волны), чем для всех предшествовавших экспериментальных суперлинз, создававшихся для оптического диапазона.

Рис. 2. Профессор Дон Хи Хэм (слева) и аспирант Хо Санг Юн, один из ведущих авторов работы (фото Hosang Yoon).

Как объяснить столь большой показатель преломления? Авторы использовали квазиньютоновскую теоретическую модель: электромагнитная волна разгоняет электроны (в соответствии со вторым законом Ньютона), которые, в свою очередь, генерируют новую электромагнитную волну, перпендикулярную изначальной. Вместе эти волны порождают крайне высокий уровень отрицательного показателя преломления. Работает эффект только до тех пор, пока электроны не начинают интенсивно рассеиваться, — то есть при температуре жидкого гелия.

Обычно радиоволнами трудно управлять, из-за чего их нельзя собрать при помощи линз, как видимый свет, а фокусировка требует больших отражателей — вроде тех, что используются в радиотелескопах. Однако с новым метаматериалом фокусировка упростится. По словам исследователей, технологию манипулирования электромагнитными волнами по их теоретической модели можно будет использовать для других диапазонов, в частности для очень перспективного терагерцевого. Ради этого в ближайшем будущем они намерены использовать графен как аналог двумерного электронного газа. Важным преимуществом графеновых устройств станет возможность их работы при комнатной температуре, отмечают учёные.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.