Исследователи преодолели самую главную помеху в использовании новых метаматериалов («metamaterials» – композитных материалов, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой) для новых достижений в области оптических технологий, включая сверхмощные компьютеры и микроскопы, а также, возможно, для шапки-невидимки.

Строение нового устройства, созданного исследователями из Пэрдю для преодоления фундаментального препятствия в использовании новых метаматериалов.

Рис. 1. Разработанный исследователями материал представляет собой перфорированную пленку-сетку, состоящую из повторяющихся слоев серебра и оксида алюминия. Небольшое количество оксида алюминия, располагавшегося между слоями серебра, было вытравлено и замещено «активной средой», усиливавшей свет (рисунок из Nature, 2010; 466 (7307): 735 DOI: 10.1038/nature09278).

Недостатком метаматериалов является их следующее ограничение – слишком большое количество света поглощается входящими в состав материалов золотом или серебром, эти потери не позволяют использовать метаматериалы для создания оптических устройств, тем не менее, исследователям из Университета Пэрдю в течение трехлетнего периода удалось решить эту проблему.

Как отмечает один из участников проекта, Владимир Шалаев (Vladimir M. Shalaev), исследователи показали, что существует принципиальная возможность справиться с потерями света и применить метаматериалы во многих областях.

Разработанный исследователями материал представляет собой перфорированную пленку-сетку, состоящую из повторяющихся слоев серебра и оксида алюминия. Небольшое количество оксида алюминия, располагавшегося между слоями серебра, было вытравлено и замещено «активной средой», усиливавшей свет.

Шалаев отмечает, что подобные попытки введения «активной среды» в метаматериалы делались и другими исследовательскими группами, однако им не удалось достичь существенного усиления светового сигнала для решения проблем с потерями света – команда из Пэрдю смогли разместить краситель между двумя сетками серебра, там, где «локальное световое поле» имеет большее значение, что приводите к увеличению эффективности работы «активной средой» на 50%.

В отличие от материалов природного происхождения, метаматериалы могут отличаться показателем преломления, меньшим единицы или даже отрицательным. Преломление происходит тогда, когда электромагнитные волны (включая свет в видимой области) меняют направление распространения при переходе из одного компонента композитного материала в другой.

Возможность создания материалов с отрицательным показателем преломления или показателем преломления, лежащим в пределах от нуля до единицы позволяет ожидать прорыва в принципиально новой области физики – трансформационная оптика (transformation optics). Такая оптика, например, дает возможность создания «плоской гиперлинзы», которая увеличит возможности оптических микроскопов в 10 раз, придав им способность наблюдать такие объекты, как ДНК; новых типов «концентраторов света» для более эффективного сбора энергии солнечных лучей, и, даже плащ невидимости или шапку-невидимку.

Результаты исследований представлены в журнале: Nature, 2010; 466 (7307): 735 DOI: 10.1038/nature09278.

Статья подготовлена Филипповым Ю.П. по материалам: