Отклонение света назад

Если свет входит в специально сконструированные материалы, так называемые метаматериалы, то при определенных условиях он отклонится в направлении, противоположном тому, в котором он бы отклонился в естественной среде.Такие уникальные искусственные материалы ученые часто назы­вают материалами-левшами, левосторонними материалами или материалами с отрицательным показателем преломления (МОПП). Впервые искусственный материал с отрицательным показателем преломления был продемонстрирован в 2000 г., и с тех пор мета­материалы привлекают большой интерес исследователей благодаря возможности их применения в разных областях. Например, на их основе возможна разработка плоской суперлинзы для видимой области спектра, которая по сравнению с обычными линзами будет обладать сверхвысоким разрешением, превосходящим дифракционный предел.

Впервые вышеупомянутая концепция появилась 40 лет назад. Ее автором является Виктор Веселаго. Он предположил возмож­ность существования материалов, для которых диэлектрическая и магнитная проницаемости являются одновременно отрицательными величинами (e < 0, m < 0). Эта идея была встречена скептически. Реализация таких МОПП казалась нереальной из-за того, что для обычных материалов не существует области перекрытия магнитного и электрического резонансов. Фундаментальные процессы, ответ­ственные за электрический и магнитный отклик, обычно возникают в разных частотных областях, что делает перекрытие этих областей невозможным. Однако эту трудность удастся преодолеть путем создания искусственных структурированных метаматериалов, в которых атомы и молекулы исходного вещества заменены макро­скопическими включениями. Метаматериалы следует сконструиро­вать таким образом, чтобы электрический и магнитный резонансы можно было бы настраивать по отдельности в пределах от ближней радиочастотной до видимой области.

Как показали дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования, отрицательная рефракция действительно возможна. Фактически разработка МОПП для микроволновой области дошла до того, что сейчас ученые и инженеры уже интенсивно пробуют применить их в ПК области. В то же время разработка МОПП, пригодных для более высокочастотной области, находится на ранней стадии, относящейся к отработке технологии изготовления и иссле­дования характеристик.

Другим способом получения отрицательного показателя пре­ломления является использование фотонных кристаллов (ФК). ФК можно изготовить только из диэлектрических материалов и, в принципе, получить более низкие потери в высокочастотной и даже видимой области. Успехи в конструировании метаматериалов для микроволновой области привели к желанию создать суперлинзы по измененной технологии. При этом возник интерес к разработке материалов с отрицательным коэффициентом преломления в види­мой области.

Работая над этой проблемой, группы исследователей под руководством Соуколиса (Soukoulis) и Озбэя (Ozbay) исследовали кристаллы с фотонной запрещенной зоной. Это – искусственные материалы, способные пропускать свет на всех частотах электромаг­нитного спектра, и поэтому в них существуют чередующиеся области с разными показателями преломления.

В настоящее время ученые только что приступили к изучению применения отрицательной рефракции в микроволновой области. Но хотя эти исследования еще не закончены, ряд физиков сосредо­точил свои усилия на видимой области спектра.

Эксперименты, проведенные на фотонных кристаллах, подтверждают предсказания теоретиков о том, что отрицательную рефракцию и эффект суперлинзы в фотонных кристаллах можно наблюдать на частотах микроволнового диапазона. На следующем этапе предстоит изменить технологию таким образом, чтобы получать материалы, пригодные для других областей электромагнитного спектра, причем конечной целью является освоение видимой области. Однако для этого потребуется изготовить фотонные структуры очень маленького размера.

 

Контрольные вопросы

1. Что изучает нанофотоника?

2. Что такое фотонные кристаллы?

3. Какими оптическими свойствами обладают фотонные кристаллы?

4. Как в медицине применяется фемтосекундный лазер?

5. Что такое лампа Накамуры?

6. В чем преимущество светодиодов в сравнении с другими аналогами источников света?

7. Что такое фианит и в какой отрасли промышленности используется?

8. Каков принцип работы волоконного лазера?

9. Каков принцип работы каскадного лазера?

10. В чем заключается явление отклонения света назад?

11. Что такое отрицательная рефракция?

 

Рекомендуемая литература [9–28].