Физики получили гиперболические метаповерхности, на которых можно управлять геометрией распространяющихся поверхностных электромагнитных волн. Основу этого метаматериала, в которой фронт волны имеет не круговую форму, а гиперболическую, составляет многослойный двумерный гексагональный нитрид бора, пишут ученые в Science.

При взаимодействии электромагнитного излучения с поверхностью некоторых материалов происходит образование поверхностных плазмонов — коллективных колебаний электронного газа внутри вещества. Объединяясь с фотонами, плазмоны могут образовывать еще один тип квазичастиц — поляритоны (подробнее о них вы можете прочитать в нашем материале). При этом, если источник поляритонов точечный, то распространение электромагнитной волны по поверхности вещества обычно происходит одинаково во все стороны, и волна имеет традиционный круговой фронт.

Теоретические исследования предсказывали, что в метаматериалах, у которых диэлектрическая проницаемость зависит от направления распространения электрического поля, геометрией фронта этой электромагнитной волны можно управлять, превращая его из кругового в гиперболический. Одним из потенциальных кандидатов для создания таких гиперболических метаповерхностей называли многослойные двумерные материалы, в которых несколько одиночных одноатомных слоев связаны друг с другой ван-дер-ваальсовыми связями.

Физики из Испании и США под руководством Райнера Хилленбранда (Rainer Hillenbrand) из Баскского научного фонда Икербаск предложили  для создания гиперболических метаповерхностей использовать многослойный гексагональный нитрид бора. Чтобы сделать из обыкновенного многослойного нитрида бора толщиной 20 нанометров метаповерхность, ученые с помощью методики травления электронным пучком поделили материал поперечными разрезами на отдельные полоски, так что ширина этих полосок составляла 70 нанометров, а расстояние между ними — от 15 до 50 нанометров. Коэффициент диэлектрической проницаемости у полученной поверхности действительно зависит от направления, а его численное значение определяется геометрией разрезов. 

Фронт распространения поверхностной электромагнитной волны по обыкновенной поверхности нитрида бора (сверху) и полученной из него гиперболической метаповерхности (снизу). P. Li et al./ Science, 2018

Для определения геометрии распространения электромагнитной волны по такой поверхности ученые провели экспериментальное исследование с использованием методики ближнепольной поляритонной интерферометрии. С помощью золотого нанозонда инфракрасное излучение фокусировали в одной точке на поверхности, распространяющаяся от этого точечного источника волна отражалась от границ дефектов на поверхности, и по интерференции прямой и отраженной волн физики определяли геометрию фронта волны. Полученные экспериментальные данные ученые проверили с помощью численного моделирования.

Как и предсказывалось теоретическими оценками, в такой системе, за счет отличий в диэлектрической проницаемости по разным направлениям, электромагнитная волна распространяется не во всех направлениях, а только в двух из них, и ее фронт, соответственно, имеет не форму круга, а распространяется по гиперболе. При этом нужную зависимость диэлектрической проницаемости можно наблюдать для диапазона частот от 1400 до 1500 обратных сантиметров. Сужать ширину зоны распространения гиперболического фронта по поверхности можно с помощью увеличения ширины разрезов. Кроме того, геометрия фронта электромагнитной волны зависит и от частоты инфракрасного излучения. 

Фронт распространения поверхностной электромагнитной волны по гиперболической метаповерхности для различной ширины разрезов (g) и разной длины волны. P. Li et al./ Science, 2018

Авторы работы отмечают, что аналогичные метаповерхности можно получать и из других двумерных многослойных материалов, например сульфида молибдена, селенида висмута или графена. По утверждению ученых, изменяя таким образом состав материала, диапазон диапазон длин волн, для которых возможно управлять геометрией фронта распространяющихся по поверхности плазмон-поляритонных волн, может быть сильно расширен. В будущем такие материалы должны помочь уменьшить размеры чувствительных элементов химических сенсоров и систем для обработки оптических сигналов.

Правильно подбирая геометрию метаповерхности можно, например, избавляться от хроматических аберраций при прохождении света сквозь нее или управлять его направлением. Если же на поверхность наносить не упорядоченные бороздки, а располагать их на случайном расстоянии друг от друга, делая массив апериодическим, то такую систему можно использовать в качестве многофункционального оптического фильтра, в котором длина проходящего сквозь него света будет зависеть от длины волны.

Автор: Александр Дубов