Китайские физики создали метаповерхность, которая отражает свет под разными углами в зависимости от того, с какой стороны приходит падающий луч. В обычном зеркале свет всегда проходит по одному и тому же «маршруту», даже если поменять падающий и отраженный луч местами. Для нового «метазеркала» это не так — если поменять направление луча, угол отражения будет другим.

Результаты исследования описаны в статье, опубликованной в журнале Light: Science and Applications.

Свойства метаматериалов, предсказанных советским физиком Виктором Веселаго еще в 1960-х годах, в корне противоречат законам классической оптики. Метаматериалы, например, могут иметь отрицательный коэффициент преломления. Метаповерхности — тип метаматериалов, чьи отражательные свойства отличаются от классических. Ранее физики научились создавать акустические метаповерхности, которые способны менять направление движения звуковые волн, фокусировать их, ограничивать их пропускание или менять частоту, а также оптические метаповерхности, чьи свойства можно варьировать в каждой отдельной точке.

Синцзе Ни (Xingjie Ni) из университета Пенсильвании и его коллеги создали новый тип оптической метаповерхности, которая в эксперименте отразила ближнее инфракрасное излучение с длиной волны 860 нанометров под разными углами в зависимости от того, с какой стороны он падал. Ученые отмечают, что нарушение оптической взаимности — то есть «выключение» отражения в одном из направлений — может быть полезно для многих практических применений, например, в оптических коммуникационных сетях, где отражения от дефектов в оптоволокне создают дополнительные помехи и снижают скорость передачи данных. Обычно такая «невзаимность» реализуется в магнито-оптических материалах, которые, однако слишком громоздки и имеют высокие потери энергии, поэтому их сложно интегрировать в современные оптические системы.

Группа под руководством Синцзе Ни предложила другой подход. Они создали оптически тонкий наноструктурированный двумерный метаматериал, который способен управлять излучением благодаря наноантеннам, размер которых несколько меньше длины волны.

Схема эксперимента с «невзаимной» метаповерхностью. / Guo, X., Ding, Y., Duan, Y. et al. / Light Sci Appl

Ученые использовали в качестве основы для метаповерхности 50-нанометровый слой диоксида кремния, нанесенный на отражатель из серебра. На слое из SiO₂ были размещены прямоугольные наноантенны из аморфного кремния с высоким индексом Керра. Взаимодействие света, пришедшего от отражателя, с наноантеннами порождает большой фазовый сдвиг, и диэлектрическая проницаемость этих наноантенн может меняться в зависимости от свойств падающего света благодаря нелинейному эффекту Керра. Изменение диэлектрической проницаемости наноантенн, в свою очередь, меняет сдвиг фазы в зависимости от того, с какой стороны падает свет, что и порождает эффект невзаимного отражения.

Авторы исследования отмечают, что их разработка позволит создавать устройства с контролируемыми оптическими свойствами, в частности, «шапки-невидимки», плоские линзы и ультратонкие голограммы.