Метаматериалы сулят прогресс в целом ряде областей. Но им свойственен недостаток: они бесполезно поглощают львиную долю света, особенно в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах, а потому малопригодны для создания практических устройств. Печальное положение дел удалось изменить только теперь, наделив означенные материалы активностью.

Совмещённые на микроуровне обычные вещества
приобретают необычные свойства, парадоксальным
образом взаимодействуя с электромагнитными волнами
(иллюстрация Birck Nanotechnology Center,
Purdue University).

Владимир Шалаев и его коллеги из университета Пардью показали в работе метаматериал с отрицательным показателем преломления, впервые продемонстрировавший эффект усиления проходящего через него света.

Для достижения этой цели физикам пришлось «испечь» настоящий пирог: слой оксида алюминия, зажатый с двух сторон слоями серебра. Каждый из трёх слоёв был по 50 нанометров толщиной.

Шалаев и сотрудники его лаборатории
уже несколько лет занимаются экспериментами
и расчётами в области нелинейной оптики,
нанофотоники и оптических метаматериалов.

Нашим читателям Владимир и его коллеги известны по теоретическому обоснованию «метаматериальной» чёрной дыры для света, которая затем была создана другой группой (фото Purdue University).

В таком сандвиче учёные проделали отверстия с коническими стенками. Диаметр «пробоин» составлял порядка 100 нанометров, а шли они с шагом 280 нм. Так получился «обычный» метаматериал, но это был лишь первый этап процесса изготовления.

Далее Владимир со товарищи провели травление большей части оксида алюминия, содержащегося между серебряными пластинами, оставив только немного материала, чтобы предотвратить схлопывание своей ажурной сетки.

Сначала воздух заполнил освободившееся пространство, но потом исследователи закачали в него эпоксидную смолу, смешанную с флуоресцентным красителем родамин 800 (Rh800).

Этот процесс заполнения потребовал виртуозной ловкости: физикам необходимо было получить ровный и тонкий слой красителя внутри метаматериала, но не больший, чем нужно для эффекта усиления, иначе вся структура потеряла бы своё самое ценное свойство — отрицательный показатель преломления.

Схема построения активного метаматериала.
Зелёным цветом показана временная подложка,
серым – серебро, тёмно-синим – оксид алюминия
(основной и пара дополнительных внешних
слоёв, более тонких), голубым – воздух,
красным – краситель (иллюстрация Shumin Xiao
et al./Nature).

Если молекулы Rh800 осветить импульсом света с длиной волны 690 нанометров, они будут излучать свет с длиной волны около 730 нм в течение нескольких наносекунд. Если же в это время на поверхность материала попадёт зондирующий импульс с длиной волны в районе 730 нм, он окажется усилен за счёт добавки от красителя. Причём стимулированный луч будет повторять входной.

Другие группы уже пробовали получать активные метаматериалы – путём нанесения слоя флуоресцентного вещества поверх их структуры. Но, по словам Шалаева, такой подход не позволяет добиться усиления, достаточного, чтобы преодолеть потери излучения.

Закачка наполнителя в промежуток между двумя тонкими слоями металла обеспечила расположение молекул красителя в районе, где поля от проходящих волн сильнее, так что активный «ингредиент пирога» смог действовать в 50 раз эффективнее, чем раньше.

В этом группа Владимира и убедилась, направив на полученную пластинку двухпикосекундный импульс накачки (на рисунке под заголовком он показан жёлтым), а затем, после 50-пикосекундной паузы, двухпикосекундный зондирующий импульс (там же — красный) в диапазоне длин волн 722–738 нм.

Тщательное измерение прошедшего через устройство и отражённого света показало, что их сумма в случае подачи луча накачки превосходит интенсивность падающего зондирующего пучка. Помимо этого эффекта на длине волны 737 нм отрицательный коэффициент преломления увеличился при включении усиления с –0,66 до –1,017.

a – исходная структура решётки, b – пластина после удаления оксида алюминия и наполнения красителем, c – после финальной обработки, d – упрощённая схема установки для измерения падающего и проходящего пучков.

Подробности эксперимента раскрывают статья в Nature и пресс-релиз университета Пардью (иллюстрация Shumin Xiao et al./Nature).

Одно из важных свойств новой структуры, как вы уже догадались, – работа в видимом световом диапазоне, что открывает заманчивые (хотя и отдалённые) перспективы для построения экзотических систем.

«Это открытие имеет фундаментальное значение для всей области метаматериалов», — заявил Шалаев.

Действительно, из них можно строить, к примеру, супер- и гиперлинзы, обходящие дифракционный предел и позволяющие получать сфокусированные изображения с деталями, меньшими по размеру, чем длина волны используемого света. А это — расширение границ оптической микроскопии.

Другое любопытное применение метаматериалов — разнообразные опыты с «плащами-невидимками». Пока такие устройства работают в ограниченном диапазоне волн и становятся невидимыми с ограниченного ракурса, так что до построения сколь-нибудь практичных систем оптического камуфляжа тут ещё очень и очень далеко.

Но завораживает сама возможность препарировать проходящие лучи света так, чтобы у наблюдателя создавалась иллюзия отсутствия объекта или изменения его размеров, или нахождения его не в том месте, где он есть на самом деле. Представляется, что подобные покрытия и ограды найдут работу не только на военном поприще.

В поисках подходящих для тех или иных задач метаматериалов учёные испробовали самые разнообразные комбинации проводников, полупроводников и диэлектриков, из которых на микро- и наноуровне строили регулярные плоские узоры и слоёные пироги.

Такие структуры, с характерными размерами элементов меньше длины волны падающего света, позволяют проделывать с излучением любопытные вещи. Одна из последних новинок в этой области – жидкий метаматериал (иллюстрации Purdue University; Zhang et al.; Blaikie, et al.; Shvets et al.; Kildishev, Narimanov; Decher, Klein, Wegener, Linden).

Третье же направление «утилизации» метаматериалов — оптические компьютеры и оптоволоконная связь. Здесь устройства с аномальными свойствами могли бы привести к появлению более быстродействующих систем.

Кстати, в дальнейшем команда Владимира попробует создать активный метаматериал, снабжаемый энергией не за счёт подсветки, а благодаря электрическому источнику. Если такой трюк удастся провернуть, это сделает данные конструкции более пригодными для интеграции в электронные системы. А значит, у лабораторных опытов Шалаева есть все шансы превратиться в промышленную технологию.