Физики остановили видимый свет

Вид на метаматериал сверху.
Фото: Fundamental Research on Matter

Группа исследователей из Нидерландов и США получила метаматериал, в котором фазовая скорость света близка к нулю, а коэффициент преломления становится отрицательным. Ученые утверждают, что их разработка стала первым трехмерным метаматериалом, который демонстрирует подобные свойства для видимого света. Подробности приведены в статье физиков для журнала Nature.

Придать образцу необычные свойства физикам удалось за счет создания собой структуры, элементы которой были существенно меньше длины волны излучения. Для этого на поверхности экспериментальной пластинки из нитрида кремния ученые нанесли серию параллельных дорожек из серебра. Их получали методом парофазного осаждения.

Создание упорядоченной структуры привело к появлению эффекта, теоретически предсказанного еще в 1967 году Виктором Веселаго. Фазовая скорость света, то есть скорость, с которой движутся горбы и впадины световой волны (но не та скорость, с которой происходит перенос энергии), в материале упала почти до нуля. За 400 нанометров, которые свет проходил в образце, его фаза сдвигалась всего на 90 градусов, то есть на четверть длины волны. Измерения показали падение диэлектрической проницаемости до нуля и ниже, причем материал оказался достаточно прозрачным и работал в видимом свете с длинами волн до 400 нанометров.

Метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления позволяют реализовать ряд недостижимых в обычной оптике эффектов. Авторы новой разработки считают, что она позволит повысить эффективность светодиодов, а также поможет в создании устройств, которые изменяют заданным образом волновой фронт светового сигнала: это, в свою очередь, необходимо в оптоэлектронных системах.

Наиболее известным примером манипуляции формой волнового фронта является «плащ-невидимка», который компенсирует вносимые скрываемым объектом искажения электромагнитных волн. Создание такого плаща для маскировки крупных объектов в видимом свете осложняется необходимостью подобрать правильный режим коррекции волнового фронта. Аналогичный подход, однако, уже позволил разработать способ скрыть от сейсмических колебаний здания. Большинство современных метаматериалов работают либо с микроволновым излучением, либо с акустическими волнами. Для видимого света изготовить метаматериалы значительно сложнее из-за меньшего требуемого размера структуры, поэтому пока такие материалы намного менее распространены.