Инженеры из Южной Кореи создали гибкий метаматериал с рекордно высоким показателем преломления, который доходит до 38,6.

Показатель преломления n равен отношению фазовых скоростей света в вакууме и в заданном веществе и определяет угол, на который отклоняется излучение, падающее на поверхность среды из вакуума. Обычно величина n в оптическом диапазоне не поднимается выше 3, но у некоторых материалов (к примеру, у кремния) она приближается к четырём.

Метаматериалы структурируются так, чтобы задать не встречающиеся в природе величины n, причём наибольший интерес вызывают отрицательные показатели, которые проявляются при отрицательных значениях магнитной (μ) и диэлектрической (ε) проницаемостей. Такие метаматериалы используются для создания маскирующих устройств и «суперлинз».

Однако у новой разработки показатель преломления положителен. Основой метаматериала служит полимерная плёнка, в которую включены тонкие золотые или алюминиевые структуры в форме буквы «Н», повторяющиеся через каждые 60 мкм. По длине и ширине они чуть недотягивают до 60 мкм, а потому не касаются друг друга. Максимальный показатель n был продемонстрирован в опыте с алюминиевыми включениями на частоте около 0,3 ТГц.

Рис. 1. Падение излучения на новый метаматериал (иллюстрация Yushin Kim).

Известно, что показатель преломления можно выразить как корень из произведения магнитной и диэлектрических проницаемостей. В представленном метаматериале величина μ не меняется, а ε, напротив, резко возрастает за счёт того, что боковые «стенки» Н-образных элементов действуют подобно обкладкам конденсатора. В зазоре между соседними элементами устанавливается электрическое поле, и при правильном подборе ширины зазора и длины волны падающего линейно поляризованного излучения можно сделать это поле сравнительно сильным и получить высокую диэлектрическую проницаемость.

Авторы пробовали уменьшать ширину зазора от исходных 30 мкм до 80 нм и выяснили, что показатель преломления начинает быстро увеличиваться после того, как ширина падает до 5 мкм; поскольку самая высокая плотность расположения элементов была достигнута в экспериментах с алюминием, именно здесь уровень n оказался рекордно большим. Учёные также попробовали изготовить «толстый» пятислойный материал с золотыми элементами размером в 40 мкм, получив максимальное значение n = 33. Такой вариант метаматериала сохранял высокий (более 15) показатель преломления в широком диапазоне частот от 0,7 до 1,8 ТГц.

Вероятно, при замене полимерной плёнки материалом с высоким собственным показателем преломления (к примеру, сульфидом свинца) общий n ещё увеличится.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Muhan Choi, Seung Hoon Lee, Yushin Kim, Seung Beom Kang, Jonghwa Shin, Min Hwan Kwak, Kwang-Young Kang, Yong-Hee Lee, Namkyoo Park & Bumki Min A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index. – Nature. – 470. – P. –369–373 (17 February 2011); doi:10.1038/nature09776. Published online 16 February 2011.