Физики из Университета Гарварда разработали линзу из метаматериалов, способную различать и фокусировать в разных точках лучи света с разной круговой поляризацией. Авторы продемонстрировали, что с ее помощью можно наблюдать и различать оптически активные вещества. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Анимация изображения, получаемого линзой, при изменении поляризации света от точечного источника. Capasso Lab/Harvard SEAS

Линза состоит из специальным образом структурированного метаматериала. Оптические свойства этого класса материалов определяются в первую очередь не тем, из какого вещества он состоит, а его периодической структурой. Для создания линзы использовались массивы наноразмерных столбиков из диоксида титана, развернутых друг к другу под определенными углами. По словам авторов, можно выделить два типа «строчек» из этих столбиков, чередующихся между собой. Строчки одного типа вносят изменения в ход лучей света с правой круговой поляризацией, строчки другого типа — с левой. Диаметр линзы составляет три миллиметра, а толщина не превышает ста микрон.

Ход лучей с левой круговой поляризацией. M. Khorasaninejad et al. / Nano Lett., 2016

Проходя через линзу свет разбивается на две группы лучей («правых» и «левых»), которые фокусируются в разных точках фокальной плоскости: изображение словно двоится. Разница между двумя получившимися изображениями указывает на то, что в свете, пришедшем на линзу, была преимущественная поляризация одного из типов. 

Микрофотография металинзы. Длина масштабной полоски 600 нанометров. M. Khorasaninejad et al. / Nano Lett., 2016

Авторы заявляют, что создали первый оптический прибор, который позволяет исследовать поляризацию и оптическую активность сред, используя лишь одну плоскую линзу и детектор — камеру. Для подтверждения работоспособности устройства ученые сфотографировали с его помощью жука Chrysina gloriosa. Его верхняя часть тела покрыта прочным слоем хитина, обладающим оптической активностью. Из-за этого одно из изображений пары оказалось темнее другого. 

«Двоящееся» изображение жука, полученное с помощью металинзы. M. Khorasaninejad et al. / Nano Lett., 2016

Хиральными называются те объекты, которые нельзя путем поворотов и переносов совместить с их зеркальными отражениями. Самым простым примером являются руки человека. Такими же свойствами обладают некоторые молекулы, к примеру, аминокислоты, ДНК и многие лекарства. Если пропустить поляризованный свет через такую среду, то из-за взаимодействия с молекулами его поляризация изменится. Это поможет новой линзе отличить вещества от их зеркальных изомеров.

Внешний вид массива столбиков из диоксида титана — основного компонента металинзы. Синим и зеленым выделены «строки», ответственные за фокусирование света с правой и левой круговой поляризацией. M. Khorasaninejad et al. / Nano Lett., 2016

Ранее та же группа ученых показала, что металинза со сходным дизайном может приблизиться и даже обойти в некоторых характеристиках передовые оптические линзы. Обладая меньшими размерами металинзы могут иметь аналогичное разрешение и числовую апертуру.

Владимир Королёв