Физики из Московского физико-технического института и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН предложили устройство нового двумерного метаматериала, обладающего отрицательным коэффициентом преломления. Его рабочий диапазон может лежать в видимой области, соответствующей фиолетовому и голубому частям спектра. Авторы предполагают, что в будущем такие материалы могут быть использованы в чипах фотонных компьютеров. Исследование опубликовано в журнале Optical Material Express.

Предлагаемый материал состоит из упорядоченного массива пар серебряных цилиндров, разделенных небольшими промежутками. При поглощении цилиндрами кванта света, в них возникают коллективные колебания электронов — плазмоны. Затем происходит переизлучение квантов света, направление которого зависит от строения метаматериала. При этом каждая пара цилиндров выступает как вторичный источник излучения, то есть результирующее излучение описывается законами дифракции.

Фазовые картины преломления и отражения лучей света, попавших на метаматериал. Изображение: Sergey Belan et al. / Optical Materials Express, 2015

Физики с помощью компьютерного моделирования определили, при каких размерах цилиндров и расстояниях между ними переизлучение происходит так, словно бы свет прошел через среду с отрицательным коэффициентом преломления. Иначе говоря, авторы добивались того, чтобы фотоны, падавшие на материал под определенным углом отражались или преломлялись в «неправильную» сторону. Оказалось, что эффективность отражения или преломления зависит от того, как именно расположены цилиндры в парах: в плоскости материала или друг над другом. Изменение геометрии приводило к изменению работы материала от «неправильно» отражающего к преломляющему.

Строение метаматериала и направление аномальных и обыкновенных отраженных и преломленных лучей. Изображение: Sergey Belan et al. / Optical Materials Express, 2015

Для длины волны излучения в 440 нанометров оптимальные параметры для преломляющего материала таковы: длина цилиндров составляет около 310 нанометров, радиус 53 нанометра, а расстояние внутри пар — 1,9 нанометра. Цилиндры при этом располагаются в плоскости материала. Авторы отмечают, что изготовить материал с идеально гладкими наноцилиндрами, разделенными строго заданным расстоянием, очень трудно. Однако, в случае успеха, эффективность аномального преломления в нем может достигать 70 процентов, для отражающего аналога — 80 процентов. Теоретически, возможно добиться и 100-процентной эффективности, однако этому мешает электрическое сопротивление металла.

Метаматериалами называются те материалы, свойства которых обусловлены их геометрической структурой, нежели веществом, из которого они изготовлены. Среды с отрицательным коэффициентом преломления — один из видов этих материалов. В отличие от привычных сред, отражение и преломление в них происходит в том же направлении, откуда пришел луч. Это приводит к необычным эффектам, к примеру, плоская пластинка из метаматериала оказывается собирающей линзой.

Первые примеры материалов с отрицательным коэффициентом преломления представляли собой периодические массивы небольших С-образных антенн. В отличие от предложенной авторами среды, они могли работать лишь с микроволновым излучением. Одним из применений, разрабатываемых для таких объектов, является микроскопия с разрешением превышающим дифракционный предел. Кроме того, на основе метаматериалов возможно создание плащей-невидимок.

Автор: Владимир Королёв