Учёные из Гарвардского университета заставили свет игнорировать классические законы оптики. Исследователи построили плоское зеркало, отражающее лучи словно кривое. Достижение открывает путь к оптике, обладающей уникальным сочетанием свойств.

Новая технология обращения со светом называется «разрывность фазы» (phase discontinuity), передаёт PhysOrg.com. Суть её заключается в следующем.

На плоскую поверхность кремния наносится узор из тончайших линий золота, причём элементы узора по размеру меньше длины световых волн (к примеру, видимого света). Если эти антенны-резонаторы будут выполнены чуть-чуть разной величины на тех или иных участках поверхности (в частности, образуют плавный градиентный рисунок), то появляется возможность проделывать с отражением почти что угодно.

Рис. 1. Команда разработчиков зеркала (по часовой стрелке слева): Патрис Женеве (Patrice Genevet), Наньфан Юй (Nanfang Yu), Федерико Капассо (Federico Capasso), Зино Габурро (Zeno Gaburro) и Михаил Кац (Mikhail A. Kats). Внизу — смоделированный образ, который появился бы в большом зеркале с узором, созданным по новой технологии (фото Eliza Grinnell, Nanfang Yu/ SEAS).

Так плоское зеркало превращается в аналог кривого зеркала из комнаты смеха. Оно начинает растягивать или сжимать различные части изображения.

Более того, таким методом можно на разных участках зеркала (либо аналогичной линзы с наноузором на поверхности) произвольно настраивать угол отражения или преломления (вплоть до отрицательных значений, невозможных с обычными материалами), а ещё — частоту (цвет), амплитуду (яркость) и поляризацию отражённых или прошедших сквозь «интерфейс» лучей. Что и было продемонстрировано в эксперименте с небольшим куском нового материала.

Рис. 2. Странные оптические эффекты, вроде штопорообразного вихря света, полученные группой Капассо на плоских поверхностях с произвольной наноструктурой (фото Nanfang Yu/ SEAS).

Авторы разработки поясняют, что она нарушает классические законы отражения и преломления. В них предполагается, что поверхность раздела двух сред с разным показателем преломления (стекло/воздух или воздух/вода) — это просто геометрическое понятие. С новой технологией такая поверхность (по принципу устройства – типичный метаматериал) становится активным элементом, своего рода третьей средой.

Происходит так потому, что металлические нанорезонаторы на неуловимо короткое мгновение задерживают электромагнитную волну в себе, прежде чем отразить обратно или пропустить внутрь (в случае линзы). На схеме под заголовком резонаторы слева удерживают волну чуть-чуть дольше, чем правые.

В результате создаётся разрыв (или сдвиг) фазы в ровном фронте лучей. Да ещё разрыв, который можно произвольно регулировать, меняя упомянутое время задержки света в той или иной точке поверхности.

Гарвардские исследователи вывели обобщённые уравнения, описывающие преломление и отражение света с учётом нанорезонаторов. Интересно, что при отсутствии градиента в параметрах этих самых резонаторов (если они по всему зеркалу одинаковы) новые законы оптики сводятся к существующим.

Учёные утверждают, что техника «phase discontinuity» позволяет создать плоские линзы, фокусирующие свет без аберрации и другие заманчивые вещи.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Nanfang Yu, Patrice Genevet, Mikhail A. Kats, Francesco Aieta, Jean-Philippe Tetienne, Federico Capasso, Zeno Gaburro Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction. – Science. – DOI: 10.1126 science.1210713; Published Online September 1 2011.