Специальные структуры со сложной геометрией, имеющие масштабы длины волны света, могут демонстрировать различные необычные оптические свойства. Так в своей последней работе группа ученых из Нидерландов выяснила, что массив нанопирамид из алюминия действует, как направленная антенна для света, причем, направление зависит от длины волны. Данная структура в перспективе может использоваться для улучшения направленности микроскопических светоизлучающих устройств.

Многие материалы демонстрируют магнитный отклик в ответ на приложенное магнитное поле, а также могут производить эквивалентный электрический отклик на электрическое поле. Около 30 лет назад группа ученых из США провела теоретический анализ поведения световых волн, взаимодействующих с шаром из некого гипотетического материала с равными электрическими и магнитными откликами (или поляризуемостью).

Для сферы, размеры которой меньше длины волны падающего излучения, они выявили, что в результате рассеяния лучи, распространяющиеся в прямом направлении, полностью исчезают, в то время как рассеяние в обратном направлении будет очень сильным. Группа исследователей из Foundation for Fundamental Research on Matter Institute for Atomic and Molecular Physics (FOM Institute AMOLF) и Eindhoven Institute of Technology (Нидерланды) решила использовать этот эффект в основе нового способа манипулирования светом.

У натуральных материалов магнитная поляризуемость гораздо слабее, нежели электрическая. Однако научная группа поняла, что они могут «настроить» электрические и магнитные свойства наночастиц, корректируя их форму. Форма и размер такой частицы влияет на характер ее взаимодействия с внешним полем, что позволяет значительно увеличить магнитную поляризуемость. После расчета свойств различных форм исследователи остановились на укороченных алюминиевых пирамидах с квадратным основанием шириной 150 нм (к вершине они сужаются до 70 нм при высоте 150 нм). Для красного света, распространяющегося вдоль вертикальной оси пирамиды, частица имеет магнитную поляризуемость почти равную электрической.

В рамках своего эксперимента исследователи изготавливали квадратные решетки, состоящие из наномирамид, размещенных на расстоянии 400 нм друг от друга, на кремниевой подложке. Данное устройство ученые покрывали слоем полистирола, содержащего органический краситель с люминесцентными свойствами (испускающий красный свет при возбуждении синим лазером).

Для начала ученые измерили, как хорошо массив нанопирамид передает красный свет в диапазоне длин волн от 550 до 700 нм (в этих тестах краситель не играл никакой роли). Для излучения с длиной волны 660 нм массив был почти полностью непрозрачным, поскольку на этой длине наноструктуры эффективно поглощают свет и преобразуют его в локализованные у поверхности колебания электронов, известные как плазмоны. Для излучения с длиной волны примерно 600 нм массив был полностью прозрачен: коллективное рассеяние света на решетки из нанопирамид приводит к формированию стоячей электромагнитной волны в плоскости решетки, что облегчает прохождение света. И, наконец, для волн с длиной примерно 580 нм исследователи вновь обнаружили уменьшение интенсивности: на этой длине волны плазмонный резонанс и рассеяние на решетки приводят к проявлению поверхностного резонанса, который увеличивает долю световой энергии, преобразуемой в электронные колебания.

По завершении первой части эксперимента исследователи осветили массив синим светом для возбуждения красного свечения молекул красителя. Выяснилось, что свет, выходящий из верхней части массива, был более интенсивным на длине волны в 660 нм (за счет плазмонного резонанса) и менее интенсивным на длине волны 580 нм. Свет, выходящий из нижней части массива, демонстрировал обратную картину. Иными словами, массив испускает различный спектр излучения с разных сторон.

Надо отметить, что

численное моделирование волновых структур в массиве подтвердило теоретическую интерпретацию явления, предложенную командой.