Впервые ученые, работающие в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), продемонстрировали линзу нового типа, которая изгибает и фокусирует ультрафиолетовый (УФ) свет таким необычным образом, что он может создавать призрачные, Трехмерные изображения объектов, плавающих в свободном пространстве. Простая в изготовлении линза может привести к улучшенной фотолитографии, манипулированию и производству наноразмеров и даже к трехмерному изображению с высоким разрешением, а также к ряду еще невообразимых приложений в самых разных областях.
«Обычные линзы захватывают только два измерения трехмерного объекта», - говорит один из соавторов статьи, Тинг Сюй из NIST. «Наша плоская линза способна проецировать трехмерные изображения трехмерных объектов, которые полностью соответствуют отображаемому объекту».
В статье, опубликованной в журнале Nature, объясняется, что новая линза сформирована из плоской пластины метаматериала с особыми характеристиками, которые заставляют свет течь в обратном направлении - нелогичная ситуация, в которой волны и энергия движутся в противоположных направлениях, создавая отрицательный показатель преломления.
Природные материалы, такие как воздух или вода, имеют положительный показатель преломления. Это можно увидеть, если опустить соломинку в стакан с водой и посмотреть на нее сбоку. Соломинка кажется согнутой и сломанной в результате изменения показателя преломления между воздухом, имеющим показатель 1, и водой, имеющим показатель около 1,33. Поскольку оба показателя преломления положительны, часть соломинки, погруженная в воду, кажется изогнутой вперед по сравнению с частью в воздухе.
Отрицательный показатель преломления метаматериалов приводит к тому, что свет, входящий или выходящий из материала, изгибается в направлении, противоположном тому, что происходит почти во всех других материалах. Например, если бы мы посмотрели на нашу соломинку, помещенную в стакан, наполненный материалом с отрицательным показателем преломления, нам показалось бы, что погруженная часть изгибается назад, что совершенно не похоже на то, как мы привыкли вести себя со светом.
В 1967 году русский физик Виктор Веселаго описал, как материал с отрицательной электрической и отрицательной магнитной проницаемостью будет иметь отрицательный показатель преломления. (Диэлектрическая проницаемость - это мера реакции материала на приложенное электрическое поле, а проницаемость - это мера реакции материала на приложенное магнитное поле.)
Веселаго рассудил, что материал с показателем преломления -1 можно использовать для изготовления плоской линзы, в отличие от традиционных изогнутых линз с преломлением. Плоская линза с показателем преломления -1 может использоваться для прямого изображения трехмерных объектов, проецируя трехмерную копию в свободное пространство.
Плоская линза с отрицательным показателем преломления, подобная этой, также позволяет передавать детали изображения, значительно меньшие, чем длина волны света, и создавать изображения с более высоким разрешением, чем это возможно с линзами, изготовленными из материалов с положительным показателем преломления, таких как стекло.
С момента предсказания Веселаго ученым потребовалось более 30 лет, чтобы создать материал с отрицательным показателем преломления в виде метаматериалов, которые спроектированы в субволновом масштабе. За последнее десятилетие ученые создали метаматериалы, которые работают в микроволновом, инфракрасном и видимом диапазонах, создавая повторяющиеся металлические узоры на плоских подложках. Однако чем меньше длина волны света, которой ученые хотят манипулировать, тем меньше должны быть эти элементы, что делает изготовление структур все более сложной задачей. До сих пор создание метаматериалов, работающих в УФ-диапазоне, было невозможно, потому что для этого требовалось создание структур с характеристиками размером всего 10 нанометров или 10 миллиардных долей метра.
Более того, из-за ограничений, присущих их конструкции, метаматериалы этого типа, предназначенные для инфракрасного и видимого длин волн, до сих пор показали, что они придают отрицательный показатель преломления свету, который движется только в определенном направлении, что затрудняет их использование для обработки изображений и других приложений, использующих преломленный свет.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи, работающие в NIST, черпали вдохновение в теоретической конструкции метаматериала, недавно предложенной группой из Института атомной и молекулярной физики FOM в Голландии. Они адаптировали конструкцию для работы в УФ диапазоне частот, представляющем особый технологический интерес.
По словам соавторов Сюй, Амита Агравала и Анри Лезека, помимо достижения рекордно коротких длин волн, их линзы из метаматериала по своей природе легко изготовить. Он не основан на наноструктурах, а представляет собой простой сэндвич из чередующихся слоев серебра и диоксида титана нанометровой толщины, построение которых является рутинным. А поскольку его уникальная конструкция состоит из набора сильно связанных волноводов, поддерживающих обратные волны, метаматериал демонстрирует отрицательный показатель преломления падающего света независимо от угла его движения..
Эта реализация плоской линзы Веселаго, работающей в ультрафиолетовом диапазоне, является первой подобной демонстрацией плоской линзы на любой частоте за пределами микроволн. Используя другие комбинации материалов, можно будет создавать аналогичные слоистые метаматериалы для использования в других частях спектра, включая видимый и инфракрасный..
Плоская линза из метаматериала достигает своего преломляющего действия на расстоянии около двух длин волн ультрафиолетового света, около полумиллионной метра - фокусное расстояние, которое трудно достичь с помощью обычной преломляющей оптики, такой как стеклянные линзы. Кроме того, передачу через метаматериал можно включать и выключать, используя высокочастотный свет в качестве переключателя, что позволяет плоской линзе действовать как затвор без движущихся частей.
«Наша линза предоставит другим исследователям большую гибкость для управления ультрафиолетовым светом на малых расстояниях», - говорит Лезек. «Благодаря своей высокой энергии фотонов ультрафиолетовый свет имеет множество применений, включая фотохимию, флуоресцентную микроскопию и производство полупроводников. Это, а также тот факт, что нашу линзу так легко изготовить, должно вдохновить других исследователей на изучение ее возможностей».
Новая работа была выполнена в сотрудничестве с исследователями из Мэрилендского наноцентра Университета Мэриленда, Колледж-Парк; Сиракузский университет; и Университет Британской Колумбии, Келоуна, Канада.