Учёные из Института атомной и молекулярной физики (Нидерланды) и Пенсильванского университета (США) представили материал, придающий видимому свету почти бесконечную длину волны. Новинка может заметно поправить положение в оптоэлектронике.

Новинка, состоящая из перекрывающихся слоёв серебра и нитрида кремния, эксплуатирует довольно необычный подход.

Скорость распространения световых волн в среде, обладающей световой дисперсией, бывает фазовая и групповая.

Фазовая, напомним, показывает, как «пики» и «провалы» световой волны движутся через материал, в то время как групповая скорость определяет перенос энергии теми же самыми волнами.

С точки зрения теории относительности перенос энергии не может быть быстрее скорости света, что ограничивает групповую скорость. А вот для фазовой таких физических ограничений нет. Именно поэтому ранее другой научной группе удалось поднять фазовую скорость до бесконечной, хотя и в одном лишь наноустройстве.

Рис. 1. Схема создания метаматериала при помощи фокусированных ионных пучков (здесь и ниже иллюстрации AMOLF).

Теперь учёные во главе с Альбертом Полманом (Albert Polman) испробовали тот же подход для создания метаматериала, состоящего из множества таких наноустройств. Его повторяющиеся элементы много меньше, чем длина волны излучения, с которым материал работает. Когда свет путешествует через среду, его распространение определяется диэлектрической проницаемостью последней — сопротивлением материала электрическим полям световых волн.

Диэлектрическая проницаемость серебра отрицательна, а у нитрида кремния она положительная. Комбинация этих веществ даёт необычный результат: диэлектрическая проницаемость, по сути, равна нулю. В итоге со стороны кажется, что свет не испытывает никакого сопротивления в материале; пики и впадины световой волны практически не двигаются — и фазовая скорость волн становится бесконечной.

Помимо собственно создания метаматериала, непростой задачей оказалось точное измерение распространения света в нём. Для этого разрабатывался специальный интерферометр.

Что даёт материал с бесконечной фазовой скоростью распространения электромагнитных волн? На выходе из него световые волны полностью синхронизированы, а формой фазового фронта такого света можно управлять в очень широких пределах. Метаматериал способен стать основой для антенны, с помощью которой можно без задержек (относительно скорости света) передавать информацию от одной оптической микросхемы другой.

Ранее той же группе исследователей удавалось создать лишь отдельное устройство, в котором фазовая скорость света была бесконечной, однако для применения в полноценных компьютерах его одного мало. Но поскольку новый метаматериал, по сути, представляет собой набор таких приборов, он уже сегодня подходит для использования в наборах оптических микросхем.

Рис. 2. Фазовую скорость света в новом материале измеряли с помощью специально созданного интерферометра.

Важно и то, что применённая для его производства технология фокусируемого ионного пучка более или менее освоена и легко масштабируема.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics.