Зображення: Peter Allen, Harvard SEAS
Група вчених з Гарвардського університету спроектувала і експериментально продемонструвала перший метаматеріал з нульовим показником заломлення, придатний для використання в оптичних інтегральних схемах. Результати їх роботи опубліковані в журналі Nature Photonics.
З розвитком нанотехнологій бурхливий розвиток отримали технології створення метаматеріалів - тобто штучних матеріалів, властивості яких визначаються структурою складових їх елементів. Це призвело до того, що сьогодні можна створити матеріал з практично довільними наперед заданими оптичними властивостями, в тому числі і такими, які складно знайти в природі.
Особливий інтерес викликає можливість створення метаматеріалів з нульовим показником заломлення. Як відомо, показник заломлення дорівнює відношенню фазових швидкостей світлової хвилі у вакуумі і в матеріалі. Це означає, що в середовищах з нульовим показником заломлення фазова швидкість нескінченна.
Фазова швидкість - це характеристика хвилі, що показує з якою швидкістю біжать її «горби» і «западини». Незважаючи на те, що інтуїтивно здається, що це і є швидкість поширення хвилі, насправді, це не так. Швидкість поширення хвилі (або, вірніше, хвильового імпульсу) дорівнює швидкості, з якою біжить її огинає, і вона дорівнює так званої групової швидкості хвиль. Образно різницю між фазової і групової швидкістю можна собі уявити як поїзд (це хвильовий імпульс) з боків якого біжать вогники горизонтальної гірлянди (це «горби» хвилі). Очевидно, що вогники можуть бігти з довільною швидкістю і ця швидкість ніяк не впливає на те, наскільки швидко вони доїдуть з Москви в Петербург. Таким чином, фазова швидкість може бути як як завгодно малої, так і як бажаною великий - аж до нескінченності - і це не порушує принципу відносності Ейнштейна, оскільки фаза хвилі не переносить ні інформацію, ні енергію.
Нескінченність фазовоїшвидкості означає, що у всіх точках середовища оптичне поле коливається абсолютно однаково - воно змінюється в часі, але в кожен з моментів часу воно абсолютно однакове у всіх точках простору. Повертаючись до образу з поїздом і гірляндою, це ніби лампочки гірлянди запалюються не одна за одною, а все одночасно, і також одночасно гаснуть.
Фазова і групова швидкість: червона точка рухається з фазовою, зелена - з груповою швидкістю коливань.
Зображення: Wikimedia Commons
Що можна зробити за допомогою оптичного елемента, в якому показник заломлення дорівнює нулю? Оскільки у всіх точках такого елемента оптичне поле поводиться однаково, в ньому зникає виділений напрям поширення хвилі. При цьому світло виходить з такого елемента завжди перпендикулярно його кордонів - якими б складними вони не були. Це означає, що за допомогою середовищ з нульовим показником заломлення можна швидко змінювати напрямок поширення світлових пучків, згинати їх, закручувати і навіть зменшувати їх діаметр до нанометрових розмірів. Це робить такі середовища надзвичайно привабливими для використання в оптичних інтегральних схемах.Як відомо, вся існуюча електроніка працює на основі електронних інтегральних схем - складних мікроелектронних пристроїв, принцип роботи яких заснований на передачі сигналів у вигляді електричного струму. Підвищити швидкість роботи подібних пристроїв можна було б за рахунок використання замість електронів фотонів, тобто світла. Саме ця ідея і реалізується в оптичних інтегральних схемах, де інформація переноситься імпульсами світла, а її обробка ведеться мініатюрними оптичними елементами.
Незважаючи на те, що метаматеріали з нульовим показником заломлення в оптичному діапазоні були створені ще близько 10 років тому, їх використання в оптичних інтегральних схемах було неможливим з низки причин. По-перше, більшість технологій зі створення таких матеріалів було засновано на використанні металевих елементів. Проблема з металами полягає в тому, що в них сильні втрати енергії, пов'язані з нагріванням. Крім того, в таких елементах було складно забезпечити нарівні з нульовим показником заломлення нульовий коефіцієнт відображення. Рішенням цих проблем стало створення в 2011 році метаматериала з нульовим показником заломлення на основі діелектрика.
Стандартним методом створення оптичних інтегральних схем є планарная технологія, за якою елементи вирощуються шар за шаром на плоскій поверхні кремнієвої підкладки. На жаль, все продемонстровані досі методи створення діелектричних метаматеріалів з нульовим показником заломлення припускали, що при їх вирощуванні на підкладці виходить шарувата структура, на яку світло повинне падати перпендикулярно площині підкладки. Це ускладнювало їх використання в інтегральних схемах, в яких передбачається, що світло, навпаки, рухається тільки уздовж підкладки.
Зараз фізикам вдалося вирішити і цю проблему. Автори нової статті спроектували спеціальну схему організації діелектричного метаматериала, при якій він може бути вирощений на підкладці і дозволяє вводити випромінювання збоку. Метаматеріал являє собою масив кремнієвих стовпчиків висотою 690 нанометрів і радіусом 211 нанометрів, укладених в полімерну матрицю, покриту зверху і знизу шарами золота товщиною в 50 нанометрів. Точний підбір параметрів забезпечив нульовий показник заломлення такої структури на довжині хвилі 1570 нанометрів, що є сучасним стандартом для оптоволоконної передачі даних. При цьому структура такого матеріалу дозволяє легко зістикувати його з кремнієвими хвилеводами.
Крім завдань створення оптичних комп'ютерів, новий метаматеріал може бути корисний і для фундаментальної науки. З його допомогою можна забезпечити рівність фаз у двох рознесених в просторі фотонів. Такі пристрої могли б спростити створення фотонів в квантово-заплутаних станах, необхідних для проведення експериментів, які вивчають основи квантової фізики.
Артем Коржіманов