Последние исследования группы ученых из США показали, что металлодиэлектрические фотонные кристаллы, являясь «подвидом» метаматериалов, могут демонстрировать целый диапазон новых линейных и нелинейных явлений. В рамках своей работы ученые провели ряд вычислительных экспериментов и предсказали воистину удивительные свойства.

Иногда метаматериалами называют вещества с искусственно спроектированными магнитными и электрическими свойствами, которые не встречаются в природе.

Исследование метаматериалов началось достаточно активно, в частности, за счет того что первые же предсказанные для них явления были настолько противоречивы, что вызывали массу споров в научном мире. Кроме того, метаматериалы вдохновили ученых на исследование оптических явлений в принципиально новом диапазоне параметров.

Изначально метаматериалами называли гомогенные изотропные структуры с отрицательным коэффициентом преломления электромагнитного поля. Обычно у таких материалов необычные свойства, связанные с коэффициентом электрической проницаемости, проявляются на частотах меньше плазменной. Соответственно, на описания явлений, свойственных таким материалам, обычно ссылаются, как на плазмонику. Отрицательной магнитной проницаемости достигнуть сложнее. Поэтому исследование явлений, связанных с магнитными особенностями метаматериалов, потребовало гораздо больших усилий.

Благодаря специфическим значениям магнитной и электрической проницаемости, для метаматериалов были предсказаны связанные эффекты, к примеру, отрицательный показатель преломления или так называемое супер-разрешение. Попытки реализовать на эксперименте последнее выражаются, например, в поиске полной запрещенной зоны для фотонных кристаллов, что по затраченным усилиям в научном мире напоминает поиск «Святого Грааля».

Научная работа над феноменом метаматериалов в свое время дала жизнь новой области – трансформационной оптики. И первые ее приложения позволили разработать, к примеру, методику «прятать» объекты, т.е. строить пространственные области, изолированные от магнитных полей. С тех пор трансформационная оптика уступила место другим темам на гребне волны развития науки, таким как прозрачность из квантовой оптики или оптические черные дыры из теории тяготения.

Металлодиэлектрики – это композитные материалы, один из которых представляет собой металл, причем способный проявлять плазмонные эффекты. Эти материалы уже нашли широкое применение в коммерческих продуктах, но в последнее время на них снова было обращено повышенное внимание в контексте дальнейшего развития концепции метаматериалов.

Ранние исследования показали, что метаматериалы могут быть чрезвычайно прозрачны на широком диапазоне длин волн (там, где обычные металлы не прозрачны). Эксперименты показывают, что многие явления, свойственные метаматериалам, на металлодиэлектриках обнаружить достаточно легко. В частности, правильно подобранной конфигурации, металлодиэлектрики, состоящие из слоев толщиной в несколько сотен нанометров, остаются прозрачными даже в среднем ИК-диапазоне. Позже аналогичные явления были продемонстрированы для ультрафиолетовой области.

В связи с этим группа ученых из США задалась целью обнаружить другие явления, свойственные метаматериалам, например суперразрешение. Вычисления, проведенные учеными, показывают, что металлодиэлектрики, составленные из периодических структур (фотонных кристаллов) могут быть хорошими кандидатами на роль материала с суперразрешением.

Опубликованная работа достаточно детально описывает диапазон параметров металлодиэлектрика, при которых обозначенное явление будет наиболее сильным. Кроме того, учеными было сделано предсказание о том, что металлодиэлектрики могут обладать электромагнитными коэффициентами на несколько порядков превышающими величины для обычных полупроводников.

Пока опубликованная работа – лишь теоретические изыскания. Безусловно, исследования в данном направлении продолжатся.