Может ли прозрачный материал с отверстиями полностью блокировать прохождение света? Как оказалось, может. Положительный ответ на этот вопрос дали ученые из Франции, продемонстрировавшие, как структура, напоминающая сеть и состоящая из отдельных наностержней, блокирует почти 100% падающего света с определенной длиной волны. Нелогичная «фотонная наносеть», как свое детище окрестили создатели, может быть в будущем использована для создания оптических устройств нового типа, в том числе – датчиков и фильтров.

Открытие, сделанное учеными из Laboratory for Photonics and Nanostructures (Франция), подтверждает теоретическое предположение, выдвинутое еще несколько лет назад. Согласно этому предположению, периодическая структура из наностержней, скрепленных в двумерный массив (и напоминающая дифракционную решетку), будет хорошо отражать свет определенной длины волны.

Созданный для доказательства этого предположения массив состоит из свободных прозрачных диэлектрических стержней из нитрида кремния, имеющих толщину порядка 500 нм. Стержни выстроены в один слой, при этом расстояние между соседними «прутьями» решетки составляет 3 мкм.

В пересчете на площадь стержни покрывают лишь 15% поверхности.

Как и ожидалось, двумерный массив пропускает излучение широкого диапазона длин волн. Но свет, имеющий длину волны строго 3,2 мкм (эта частота относится к ИК-области), практически полностью отражается.

Причем, эффект заметен в очень узком спектральном диапазоне. К примеру, свет с длиной волны 3 мкм отлично проходит через наносеть.

Хотя массив наностержней напоминает скорее дифракционную решетку, с точки зрения взаимодействия со светом ведет он себя скорее как кристалл, в котором стержни действуют, как монослой атомов, многократно рассеивающих свет. Падающие электромагнитные волны сначала рассеиваются наностержнями.

После этого часть рассеянного света попадает на другие наностержни и снова рассеивается и т.п. В результате интерференции световых волн формируется световая волна, излучающаяся в прямом и обратном направлениях. При работе в указанном спектральном диапазоне световые волны, проходящие через наносеть, полностью компенсируются в результате интерференции с рассеянными лучами, что приводит к совершенному оптическому отражению.

По мнению ученых,

эффект во многом похож на более известный пример Брэгговской дифракции в трехмерных кристаллах.

Оба явления происходят, благодаря рассеиванию волн при помощи объектов с небольшой площадью сечения. Разница состоит лишь в том, что в случае Брегговской дифракции результирующая картина строится в результате взаимодействия с несколькими плоскими слоями атомов, а в наносети почти 100% фотонов взаимодействуют с объектами только в одной плоскости.

Стоит отметить, что до сих пор исследования наноструктур в ракурсе взаимодействия со светом были ограничены металлами, к примеру, наночастицами золота, где коллективные колебания свободных поверхностных электронов (или так называемый поверхностный плазмонный резонанс) обеспечивают сильное поглощение или рассеивание света.

Опубликованная в Physical Review Letters работа показывает, что

сильные взаимодействия со светом могут быть получены с помощью периодического расположения автономных диэлектрических структур. Причем, длина волны света в данном случае может быть настроена с помощью изменения периода наностержней в «сети» или их диаметра (т.е. спектральный диапазон не ограничен особенностями плазмонов в квантовой точке).