Необычный метаматериал из серебряных элементов ускорит работу компьютеров

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН предложила двумерный метаматериал из серебряных элементов, необычно преломляющий свет.

Метаматериал — материал, свойства которого обусловлены искусственно созданной периодической структурой. Приставка «мета» в данном случае указывает на то, что характеристики материала выходят за пределы, которые можно встретить в природе.

При падении света на поверхность предложенного материала преломлённый луч лежит по ту же сторону от нормали к поверхности, что и падающий. Разницу поведения света в среде с положительным и отрицательным показателем преломления можно увидеть на примере палочки погружённой в жидкость.

Существование веществ с отрицательным показателем преломления было предсказано ещё в середине XX века. Первые образцы метаматериалов представляли собой массивы из тонких проволочек и работали только с микроволновым излучением.

Новый метаматериал, как показали опыты, эффективен для света с длиной волны 400–500 нм (фиолетовый, синий и голубой цвета). Манипулирование светом осуществляется при помощи двумерных структур, так называемых метаповерхностей. По сути, это тонкие плёнки, составленные из отдельных элементов. Принцип работы метаповерхности основан на явлении дифракции. Любой плоский периодический массив представляет собой дифракционную решётку, которая «расщепляет» падающий на неё свет на несколько лучей. Количество и направление лучей зависит от геометрических параметров: угла падения, длины волны и периода решётки. Структура элементарной ячейки, в свою очередь, определяет, как распределится между лучами энергия падающего света. Для получения отрицательного показателя преломления нужно, чтобы все дифракционные лучи кроме одного были подавлены, тогда весь падающий свет будет перенаправлен в нужном направлении.

В новом материале элементарные ячейки представляют собой пару близко расположенных серебряных цилиндров радиусом порядка 100 нанометров. Эффективное взаимодействие пар металлических цилиндров со светом происходит благодаря эффекту плазмонного резонанса. Свет поглощается металлическими стержнями, заставляя электроны в металле колебаться, и переизлучается. Исследователям удалось подобрать параметры ячейки таким образом, чтобы результирующий оптический отклик решётки соответствовал аномальному (то есть отрицательному) преломлению падающей волны.

Предполагается, что достижение будет использоваться для управления оптическими сигналами в ультракомпактных устройствах. Здесь речь идёт прежде всего о технологиях оптической передачи и обработки информации, которые в будущем помогут ускорить работу компьютеров.