Метаматериалы будущего
Исследования в области плазмоники и метаматериалов развиваются в направлении создания моделей, обладающих уникальными электромагнитными свойствами. Новые материалы сочетают в себе свойства известных ранее фотонных кристаллов и метаматериалов. О моделях гиперболических метаматериалов, мультимасштабных метаповерхностях и мембранах на семинаре в ФИАН рассказал старший научный сотрудник DTU Fotonik, Technical University of Denmark Сергей Жуковский.
Впервые идея сверхматериалов, которые обладали бы не существующими в природе свойствами, была выдвинута В.Г. Веселаго в 1967 году. Однако бурное развитие она получила только через несколько десятилетий. Концепция создания искусственных материалов заключается в том, что за счёт сложной структуры они приобретают экзотические электромагнитные свойства.
До последнего времени были известны такие структуры, как фотонные кристаллы и метаматериалы. Размеры элементов в фотонных кристаллах сопоставимы с длиной волны λ. Периодическая диэлектрическая среда кристалла действует на фотоны так же, как кристаллическая решётка твердого тела на заряженные электроны. В материале возникает запрещённая зона, в пределах которой не может распространяться свет. Такая особенность роднит фотонные кристаллы с полупроводниками и диэлектриками. Фотонные кристаллы открыли новые возможности для создания волноводов, резонаторов и микролазеров.
В отличие от фотонных кристаллов, размеры элементов метаматериалов во много раз меньше длины волны λ. Благодаря этому они обладают не существующими в природе свойствами – например, отрицательным показателем преломления. Комментирует Сергей Жуковский:
«Почему это интересно? Количество материалов в природе огромно, но, тем не менее, оно ограничено: несмотря на все их разнообразие, нам приходится довольствоваться лишь теми свойствами, которые даны природой. Метаматериалы же можно конструировать до бесконечности, и создавать структуры с необычными свойствами, в соответствии со своими потребностями. Например, с какими-то редко встречающимися либо вообще отсутствующими в природе свойствами».
До последнего времени учёные не рассматривали возможность создания структур, которые могли объединить свойства фотонных кристаллов и метаматериалов. Однако недавние исследования показали, что это возможно в мультимасштабных гиперболических метаматериалах, мультмасштабных метаповерхностях и мембранах.
Концепция фотонных кристаллов, мультимасштабных метаматериалов
В мультимасштабных гиперболических метаматериалах происходит сочетание структур, с элементами размерами, примерно равными длине волны, и элементами с размерами много меньше длины волны. Такой подход позволяет расширить функциональность получаемых материалов, увеличить их производительность и т.д.
Гиперболические метаматериалы: многослойная периодическая структура и структура из наностержней. Размеры слоев и стержней – много меньше длины волны.
Рассказывает Сергей Жуковский:
«Достаточно привлекательным моментом в гиперболических метаматериалах является их простая геометрия по сравнению с другими метаматериалами. Это позволяет избежать различных "побочных эффектов", например узкополосного резонанса».
Необычные свойства таких структур объясняются поведением особых волн – объёмных плазмонных поляритонов, которые возбуждаются в глубине гиперболического метаматериала под воздействием света. Учёные из DTU Fotonik нашли способ, как управлять поведением плазмонных поляритонов. Это возможно в многослойных структурах с чередованием слоев.
Гиперболический метаматериал с двумя уровнями структурирования
Основная «изюминка» гиперболических метаматериалов – их «неопределенность»: они ведут себя как металлы в одних направлениях и как диэлектрики – в других. Такие материалы могут применяться для создания тёмных нерассеивающих поверхностей, в гиперлинзе и для оптической симуляции пространственно-временных феноменов. Особенность этих материалов заключается в том, что они могут хорошо поглощать волны вне зависимости от их длины, иными словами, независимо от цвета. Как объяснил С. Жуковский,
«Одна из идей использования метаматериалов и их оптических свойств состоит в том, чтобы добиться уменьшения видимости объектов или создания зрительной иллюзии формы или размера объекта»
Возможности применения гиперболических метаматериалов
Пропускание света с различным волновым вектором гиперболическими метаматериалами
Учёные из DTU Fotonik вместе с коллегами из ФИАН провели исследование фотоэмиссии из наночастиц, организованных в структуру метаматериала. Рассказывает один из участников исследования, ведущий научный сотрудник ФИАН Александр Васильевич Усков:
«Мы исследовали, какую роль играют эффекты мультимасштабности в фотоэмиссии из наночастиц. Основная идея заключалась в сочетании субволновых частиц с объединением их в решётку с периодом около длины волны. В таком случае происходит сочетание индивидуального плазмонного резонанса самой наночастицы и коллективного резонанса решётки. В результате мы обнаружили возрастание фототока в мультимасштабной метаповерхности. Полученные нами результаты могут дать ключ к дальнейшим экспериментам по оценке вкладов поверхностных и объемных фотоэлектрических эффектов в общий фототок».
Фотоэмиссия из наночастиц (источник)
На сегодняшний день налажено производство фотонных кристаллов. Выпускать метаматериалы значительно сложнее. Пока можно наладить производство только некоторых из них и небольших размеров. Однако у них есть большие перспективы. Как пояснил Сергей Жуковский,
«Пока теоретические исследования в этой области значительно опережают практику. В перспективе возможно исследование поведения метаматериалов под воздействием радиоволн и терагерцового излучения. Можно сказать, мы в начале пути изучения гиперболических метаматериалов. Ясно, что такие структуры открывают уникальные возможности по их применению. Новые технологии, при их дальнейшем развитии, можно будет использовать, например, в медицинских сканерах и сканерах для систем безопасности в аэропортах»
И. Герасимова, АНИ «ФИАН-информ»
