Ученым удалось перевернуть свет "с ног на голову" - «Наука и технологии»

Ученые из исследовательского института CIC nanoGUNE, Сан-Себастьян, Испания, разработали так называемую гиперболическую метаповерхность, которая полностью изменяет форму и другие параметры волн распространяющегося по ней света. Подобные поверхности могут стать основой новых технологий высокоточного контроля и управления светом, которые могут быть использованы в устройствах обработки оптических сигналов, в коммуникационных и квантовых системах.

Оптические волны, распространяющиеся от точечного источника, имеют правильную концентрическую форму с выпуклой формой переднего фронта импульса, что очень похоже на волны, распространяющиеся от брошенного в воду камня. Такая форма волн обусловлена тем, что среда их распространения является гомогенной и изотропической, т.е., ее параметры одинаковы во всех направлениях.

Ученые уже давно рассчитали теоретически, что структурированные определенным образом поверхности могут изменить форму переднего фронта импульса света, буквально "перевернув его с ног на голову". На таких поверхностях, называемых гиперболическими метаповерхностями, волны, излученные точечным источником, распространяются только в определенных направлениях и имею обратную, вогнутую, форму переднего фронта. Такие волны называют гиперболическими поверхностными поляритонами, за счет превращений длины волн этого света намного короче длин волн оригинального света, подведенного к поверхности через открытое пространство или специальный световод.

Испанские исследователи разработали гиперболическую метаповерхность, преобразующую свет инфракрасного диапазона. Эта поверхность изготовлена на основании из нитрида бора, условно двухмерного материала, подобного графену. Нитрид бора уже дано известен ученым как материал, хорошо взаимодействующий с инфракрасным светом на чрезвычайно малом масштабе и он, этот материал, используется в миниатюрных датчиках, наноразмерных оптоэлектронных устройствах и т.п.

Создание гиперболической поверхности является достаточно сложным делом из-за необходимости создания чрезвычайно точных наноструктур нанометровых размеров. Исследователи справились с этой задачей при помощи технологии электронно-лучевой литографии, произведя высокоточную обработку тонких "хлопьев" высококачественного нитрида бора. После нескольких этапов оптимизации процесса они получили структурированную поверхность, расстояние между отдельными наноструктурами на которой составляло 25 нанометров.

Для того, чтобы увидеть особенности света, распространяющегося по гиперболической метаповерхности, исследователи использовали специально разработанную технологию инфракрасной наносъемки. На поверхность метаматериала были золотые наностолбики, размеры которых обеспечивали максимальное их взаимодействие со светом инфракрасного диапазона. Отраженный этими наностролбиками свет попадал в объектив полевого микроскопа, который позволил запечатлеть все происходящее. И на полученных таким способом изображениях было четко видно вогнутую форму фронта импульса света.

Исследователи отмечают, что разработанная ими технология изготовления гиперболических метаповерхностей может быть применена не только по отношению к нитриду бора, но и по отношению к ряду других условно двухмерных материалов, что позволит создавать из разнородных метаповерхностей достаточно сложные схемы обработки оптических сигналов. И вторым аспектом проделанной работы является демонстрация возможности использования полевой микроскопии для изучения самых экзотических оптических явлений.