В метаматериалах открыт новый вид гиротропии, проявляющийся в отраженном свете.
Гиротропия – свойство вращать поляризацию световой волны – явление, давно известное для материалов, которые не совпадают со своим зеркальным отображением. Но что произойдет, если этот тип симметрии нарушается направлением освещения, а не структурой самого материала?

Заинтересованность в этом вопросе привела к открытию нового типа гиротропии. Как сообщает в своем исследовании, опубликованном в журнале Applied Physics Letters, исследовательская группа из университета Саутгемптона, нарушение симметрии метаматериалов отражающейся световой волной вызывает оптическую гиротропию с колоссальной амплитудой, значительно превышающей ранее известную «зеркальную» гиротропию.

Основным рабочим материалом этой исследовательской группы являются метаматериалы – материалы, изготавливаемые с уникальной формой составных частей и степенями симметрии, которые показывают свойства, не проявляемые их природными аналогами.

«Свойства природных материалов напрямую проистекают из свойств атомов, ионов или молекул, из которых они состоят. Похожим образом, основная концепция метаматериалов заключается в сборке искусственных материалов из «метамолекул», то есть искусственно изготовленных первичных строительных блоков,» – разъясняет Эрик Плам, лектор и ученый научно-исследовательского центра оптоэлектроники и центра фотонных метаматериалов Саутгемптонского университета.

«Это открывает огромные технологические возможности,» – продолжает Плам. – «Вместо того, чтобы ограничиваться имеющимися природными материалами, мы можем конструировать материалы со свойствами, которые нам нужны. Уже продемонстрирована возможность улучшения различных свойств и функциональных возможностей материалов и даже обретение новых.»

Метаматериалы взаимодействуют с электромагнитными волнами как гомогенные вещества, если их искусственная структура имеет субволновой (меньший длины волны излучения) характерный размер. Для видимого света метаматериалы конструируются на наномасштабе, а для радиоволн в масштабах миллиметров или сантиметров.

Группа сосредоточена на скрученных, или «хиральных» структурах, наблюдаемых во многих природных и искусственных материалах, потому что они могут поворачивать состояние поляризации проходящего света – свойство, известное как гиротропия. Это свойство является одним из основных для целого ряда прикладных приложений, от ЖК-дисплеев до спектроскопии, и даже для обнаружения жизни в космических полетах.

В то время как гиротропия для света, отраженного от природных материалов, незначительна, исследователи обнаружили, что это не всегда верно для метаматериалов.

«Наш метаматериал обладает огромным значением гиротропии для отраженных электромагнитных волн,» – говорит Плам. – «Это особенно примечательно, если учесть, что наша искусственная структура является чрезвычайно тонкой – в 30 раз тоньше, чем длина волны электромагнитного излучения, с которым он взаимодействует.»

Возможно, столь же удивительно, что данный гиротропный материал фактически не является хиральным.

«Вместо этого гиротропия возникает из спиральной геометрии экспериментальной установки, т.е взаимной ориентации направления освещения и структуры метаматериала, в котором отсутствует вращательная симметрия,» – далее поясняет ученый.

Пример исследуемого материала из статьи в Applied Physics Letters – наноструктура метаматериала из золота. Credit: Eric Plum, Vassili A. Fedotov, and Nikolay I. Zheludev

Открытие группы открывает пути для создания нового класса чрезвычайно тонких и легких устройств для контроля и выявления состояния поляризации света, в частности, вращения плоскости поляризации, изготовления циркулярно поляризующих делителей пучка и зеркал, а также оптических изоляторов для циркулярно поляризованного света.

С точки зрения более фундаментальной физики, наблюдаемый исследовательской группой эффект имитирует продольный магнитооптический эффект Керра – в котором свет, отраженный от намагниченной поверхности, может изменять одновременно интенсивность отражения и состояние поляризации – без намагниченной среды.

«Это открытие имеет большое значение для Керровской микроскопии, потому что подобный материал может быть ошибочно принят за намагниченный,» – добавляет Плам.

Плам и его коллеги сейчас ведут разработку практических решений для динамического управления гиротропией для применения, в частности, для активной модуляции поляризации.

«Было бы также интересно изучить данный эффект в природных материалах, а также изучить последствия подобных видов "нарушения симметрии» других физических систем,"- завершает Плам.

Источник:

Eric Plum, Vassili A. Fedotov, Nikolay I. Zheludev. Specular optical activity of achiral metasurfaces. Applied Physics Letters, 2016; 108 (14): 141905 DOI: 10.1063/1.4944775