Сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Василий Климов и его коллеги из Университета Париж 13 (Франция) Jacques Baudon и Martial Ducloy получили аналитические решения для фокусировки света в полупространстве с отрицательным показателем преломления. В частности, из полученных результатов следует, что функционирование известной в оптике идеальной линзы, в том виде, как предполагалось ранее, невозможно, и для полного использования уникальных свойств сред с отрицательным показателем преломления надо радикально изменить постановку задачи.
В 1967 году советский физик, тогда еще сотрудник ФИАН, Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления - метаматериалов. Для этого магнитная и диэлектрическая проницаемости метаматериала должны быть одновременно отрицательны, а групповая и фазовая скорости распространения электромагнитной волны, как следствие, иметь противоположные направления. Если из такого материала изготовить плоскопараллельную пластинку, то она будет фокусировать свет так же, как выпуклая стеклянная линза (Рис.1). Позже, в 2000 году, английский физик, профессор Джон Пендри высказал аргументы в пользу того, что идеальная линза Веселаго не имеет дифракционных ограничений на разрешающую способность, и будет обладать настолько высокой степенью фокусировки, что позволит рассматривать вещество в наномасштабе. Ученые из ФИАНа и Университета Париж-13 решили детально проверить это предположение, и оказалось (http://iopscience.iop.org/0295-5075/94/2/20006), что с учетом поглощения, пусть и малого, в реальных материалах ожидаемой точности фокусировки уже не будет.
«Проблема в том, - рассказывает главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Василий Климов, - что на пути движения света есть область пространства, где решения стационарных уравнений Максвелла, как такового, не существует. Это происходит именно в том случае, когда обе проницаемости, и диэлектрическая и магнитная, отрицательны, а потери в веществе равны нулю. Но потенциал отрицательного показателя преломления очень большой, его нельзя просто так сбрасывать со счетов, поэтому нужно думать о другой постановке задачи».
Одна из предлагаемых постановок задачи заключается в том, чтобы использовать не только источники света, но и приемники. Один из простейших вариантов – поместить приемник света внутри пластинки, а источники – снаружи, в точках пересечения лучей на Рис.1. В этом случае траектории лучей будут почти такими же, как в оригинальной задаче, но области пространства, где решения задачи не существует, уже не будет. Кстати говоря, эту идею выгодно использовать и для реализации процесса возбуждения атома в схеме квантового компьютера.
«Для квантовых компьютеров и квантовых телекоммуникаций, - объясняет Василий Климов, - которые сейчас активно развиваются, необходимы однофотонные источники света, для того, чтобы возбуждать нановолноводы и другие наноустройства и работать на квантовом уровне. Сейчас для того, чтобы излучить один фотон в заданный момент времени, требуется от миллиона до 10 миллионов фотонов, возбуждающих однофотонный источник, то есть система получается крайне неэффективной. Но если мы рассматриваем пластинку с отрицательным показателем преломления и помещаем внутри нее невозбужденный атом, а снаружи - два возбужденных, тогда вероятность того, что фотоны разбегутся в стороны и не возбудят атом внутри, равняется ¼ , а вероятность его возбуждения - 0,75. Или можно построить систему наоборот, и использовать одну возбужденную частицу внутри пластинки и 2 невозбужденных - снаружи, тогда, куда бы ни улетел фотон, он обязательно возбудит один из двух атомов снаружи, потому что лучи пересекаются в области очень маленьких размеров. А так как заранее не ясно, какой из атомов возбудится, то в результате получится запутанное состояние двух возбужденных атомов, которое может быть использовано для квантовой криптографии».
Подобные вычисления ученые провели не только для случая фокусировки фотонов, но и для безмассовых ультрарелятивистских частиц Дирака, например, электронов в графене (Рис.3). В этом случае зона отрицательного преломления начинается еще до границы области с отрицательным показателем преломления (она справа), а со стороны приемного электрода фокусное пятно имеет более сложную, по сравнению со случаем фотонов, пространственную структуру. Полученное решение имеет тесные аналогии с парадоксом Клейна – явлением туннелирования релятивистской частицы сквозь высокий потенциальный барьер, который находит свое объяснение в рождении пары частица-античастица.
АНИ «ФИАН-информ»
