Фотонные кристаллы и метаматериалы, используемые для управления распространением света, это искусственные образования из мельчайших компонентов с разными электромагнитными свойствами. По организованности структуры они напоминают обычные кристаллы, но по размерам базовых элементов значительно их превосходят. Фотоны в них двигаются по очень необычным траекториям, определяемым составом, формой и расположением структурных компонентов.

Ученые из России и Австралии провели широкомасштабное совместное исследование, охватившее примерно 5 тыс. таких фотонных структур. Они изучали, как меняются оптические свойства при постепенном изменении различных параметров и в качестве модели использовали решётку пластмассовых цилиндров, заполненных нагретой водой.

Взаимодействие подобной структуры со светом даёт два типа резонанса: локальный резонанс Ми, связанный с каждым цилиндром индивидуально, и расширенный резонанс Брэгга, возникающий из-за интерференции света, рассеянного на всех цилиндрах. Если коэффициент преломления цилиндров высок, структура относится к диэлектрическим метаматериалам, если низок — к фотонным кристаллам.

В статье для журнала Nature Communications участники исследования представили результаты моделирования в микроволновом диапазоне для 100 различных значений коэффициента преломления и 50 величин константы решетки. Расстояние между соседними цилиндрами варьировались от нулевого (они располагались впритык) до 100 радиусов цилиндра, а индекс преломления изменяли, нагревая заполняющую цилиндры воду от 20 до 90 °C. В целях наглядной интерпретации полученных данных была построена фазовая диаграмма переходов между фотонными кристаллами и метаматериалами.

Важность этой работы заключается в том, что впервые предпринята попытка рассмотрения метаматериалов и фотонных кристаллов в рамках единой системы с одинаковым набором параметров. Это позволит упростить в дальнейшем проектирование наноструктурных материалов с требуемыми оптическими характеристиками.