Международная научная группа, состоящая из ученых НИТУ «МИСиС» и Политехнического университета Турина, разработала модель нового метаматериала, который позволит повысить точность работы наносенсоров в оптике и биомедицине за счет маскировки их от внешнего излучения. Статья о результатах исследования опубликована в журнале Scientific Reports.

Разработка модели нового метаматериала, маскирующего наносенсоры, проводится в рамках российско-итальянского проекта ANASTASIA (Advanced Non-radiating Architectures Scattering Tenuously And Sustaining Invisible Anapoles), цель которого – смоделировать, а затем и воссоздать такой метаматериал, который бы позволил делать объекты невидимыми на наноуровне во всех волновых диапазонах.

«Скрыть большой объект на самом деле проще, чем маленький, – рассказывает аспирантка лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и главный автор статьи Анар Оспанова. – Существуют различные техники камуфляжа и стелс-технологий. Но когда мы имеем дело с наноразмерными объектами – например, иглами-сенсорами в биомедицине или физике, ситуация усложняется. Обычно наносенсоры соизмеримы исследуемым объектам, поэтому, попадая в среду, очень сильно на нее влияют – изменяют давление в ней, рассеивают излучение, и становится трудно понять, где характеристики иглы, а где – самого объекта. Мы решили «спрятать» излучение от наносенсоров и таким образом повысить точность их работы».

Основной элемент смоделированного учеными метаматериала – метамолекула, состоящая из четырех цилиндров-диэлектриков из танталата лития – LiTaO3 – радиусом 5 мкм. Образуя своего рода оболочку для наносенсора, диэлектрики взаимодействуют с излучением, и возникает так называемое состояние анаполя – неизлучающего рассеивателя. (рис. 1). В результате объект становится невидимым для внешнего наблюдателя (рис. 2 c). По отдельности все элементы – наносенсор и диэлектрики – рассеивают излучение и сильно искажают картину электрического и магнитного полей (рис. 2 а, b).

Рисунок 1 – визуализация метамолекулы, состоящей из наносенсора – металлического цилиндра-проводника (в центре) и четырех цилиндров-диэлектриков (по краям), где P – электрический дипольный момент проводника, T – тороидный момент диэлектрической оболочки.

Рисунок 2 – визуализация видимого излучения элементов вне метамолекулы и в форме метамолекулы, где (а) – центральный элемент без оболочки; (b) – элементы оболочки без центрального элемента; (с) – центральный элемент в оболочке.

Для расчетов был использован металлический проводник радиусом 2.5 мкм, имитирующй наносенсор и обладающий очень высоким волновым рассеиванием, что позволило провести расчеты для максимально возможного уровня излучения. Моделирование проходило в терагерцовом диапазоне, между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами.

В качестве материала метамолекулы ученые использовали LiTaO3 – танталат лития, хотя в зависимости от сферы применения можно применять и другие материалы. В нанооптике, например, можно будет работать с кремнием и германием.

По словам руководителя проекта ANASTASIA со стороны НИТУ «МИСиС», доцента Алексея Башарина, у созданного метаматериала есть перспективы применения в биомедицине, например, за счет использования в качестве оболочки совместимого с человеческим организмом хлорида калия.

«Есть ряд случаев, когда нужно сделать так, чтобы объект не взаимодействовал со светом – например, при доставке лекарств на наноуровне. Наша конечная цель – создать метамолекулу, в которой рассеяние от объекта и его оболочки будут встречаться, нейтрализуя друг друга и делая объект невидимым в соответствующем волновом диапазоне», – Алексей Башарин.

Следующий этап исследования – экспериментальное создание предложенной структуры в лабораторных условиях – запланирован на осень 2018 года.

На данный момент накоплен опыт создания материалов и предметов, прозрачных для очень узкого диапазона излучения и скрывающих объекты только под определенным углом. Задача, которую ставят перед собой участники проекта ANASTASIA, состоит в том, чтобы обобщить опыт создания таких структур и разработать теорию, при помощи которой можно будет смоделировать, а затем и создать метаматериалы, скрывающие объекты под любым углом и в широком диапазоне.