Инженеры Университета Пердью - первые исследователи, создавшие материал с «отрицательным показателем преломления» на длине волны света, используемого в телекоммуникациях, что может привести к улучшению технологий связи и обработки изображений.
«Эта работа является важной вехой, поскольку она демонстрирует возможность иметь отрицательный показатель преломления в оптическом диапазоне, что увеличивает вероятность использования этого явления для оптики и связи», - сказал Владимир Шалаев, Роберт и Энн Бернетт, профессор электротехники и вычислительной техники.
Материал состоит из крошечных параллельных «наностержней» золота, которые проводят облака электронов, называемых «плазмонами», с частотой света, называемой ближней инфракрасной. Длина волны этого ближнего инфракрасного света составляет 1,5 микрона, или миллионные доли метра, такая же длина волны используется для оптоволоконной связи.
«Это самая важная длина волны для связи», - сказал Шалаев.
Выводы подробно описаны в статье, опубликованной 15 декабря в журнале Optics Letters, опубликованном Американским оптическим обществом. Статья написана Шалаевым, его аспирантами Вэньшаном Цаем и Удаем К. Четтиаром, докторантом Сяо-Куан Юанем, старшими научными сотрудниками Андреем К. Сарычевым и Владимиром П. Драчевым, а также главным научным сотрудником Александром В. Кильдишевым.
Наностержни являются примером материалов, способных обратить вспять явление, называемое преломлением, которое возникает, когда электромагнитные волны, включая свет, изгибаются при переходе из одного материала в другой и вызвано изменением скорости света. при переходе из одной среды в другую. Ученые измеряют это искривление излучения его «показателем преломления». Преломление вызывает эффект согнутой палочки в воде, который возникает, когда палочка, помещенная в стакан с водой, кажется согнутой, если смотреть снаружи. Каждый материал имеет свой собственный показатель преломления, который описывает, насколько свет будет преломляться в этом конкретном материале, и определяет, насколько замедляется скорость света при прохождении через материал. Все природные материалы, такие как стекло, воздух и вода, имеют положительные показатели преломления.
В конце 1960-х годов исследователи выдвинули гипотезу о том, что произойдет, если материал будет иметь отрицательный показатель преломления, заставляющий его преломлять свет в противоположном направлении по сравнению с обычными материалами. В 2000 году исследователь Джон Пендри из Имперского колледжа Лондона предположил, что пластины из такого материала можно использовать для создания «суперлинзы», которая резко улучшит качество медицинской диагностической визуализации и других технологий. Такие линзы теоретически могут компенсировать потерю части света, передающего изображение, когда он проходит через линзу. Объективы и системы визуализации можно было бы улучшить, если бы удалось восстановить этот потерянный свет, который ученые называют «исчезающим светом». Система визуализации, использующая комбинацию положительного и отрицательного преломления, могла бы восстановить потерянный затухающий свет.
Использование материалов с отрицательным показателем преломления может позволить получать оптические изображения объектов, размер которых меньше длины волны видимого света, включая такие молекулы, как ДНК, для исследований и медицинских изображений; разработка «фотонанолитографии», которая позволила бы гравировать электронные устройства и схемы меньшего размера, что привело бы к созданию более мощных компьютеров; новые типы антенн, компьютерные компоненты и бытовая электроника, такая как сотовые телефоны, которые используют свет вместо электричества для передачи сигналов и обработки информации, что приводит к более быстрой связи.
Основным препятствием, мешающим развитию оптоэлектронных устройств, является то, что длина волны света слишком велика, чтобы вписаться в крошечные элементы, необходимые для миниатюрных схем и компонентов.«Плазмонные наноматериалы», однако, могут сделать возможным сжатие световых волн в гораздо меньшие пространства, сказал Шалаев.
Различные исследовательские группы изготовили «метаматериалы» из крошечных металлических колец и стержней, которые имеют отрицательный показатель преломления. Еще не создано метаматериалов с отрицательным показателем преломления для видимого света, но теперь исследователи Purdue создали первый метаматериал с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной части спектра. Это находится за пределами диапазона видимого света, что демонстрирует возможность применения этой концепции к средствам связи и компьютерам.
«Задача состояла в том, чтобы изготовить структуру, которая имела бы не только электрический, но и магнитный отклик в ближнем инфракрасном диапазоне», - сказал Шалаев.
Золотые наностержни проводят облака электронов, и все они движутся в унисон, как если бы они были единым объектом, а не миллионами отдельных электронов. Эти группы электронов известны под общим названием плазмоны. Свет от лазера или другого источника направлялся на наностержни, индуцируя «электрооптический ток» в крошечной цепи. Каждый из стержней имеет ширину около 100 нанометров, или 100 миллиардных долей метра, и длину 700 нанометров.
«Эти стержни в основном проводят ток, потому что они металлические, создавая эффект, который мы называем оптической индуктивностью, в то время как материал между стержнями производит другой эффект, называемый оптической емкостью», - сказал Шалаев. «В результате образуется очень маленькая электромагнитная цепь, но эта схема работает на более высоких частотах, чем обычные цепи, в той части спектра, которую мы называем оптическими частотами, включая ближний инфракрасный диапазон. Поэтому мы создали структуру, которая работает. как своего рода оптическая цепь и эффективно взаимодействует с обеими составляющими поля света: электрической и магнитной."
Исследование финансируется Исследовательским бюро армии США и Национальным научным фондом и связано с Центром нанотехнологий Purdue Birck в парке Дискавери, университетским центром междисциплинарных исследований.
«Хотя многие исследователи скептически относятся к разработке материалов с отрицательным показателем преломления в оптических длинах волн и их последующему использованию в практических технологиях, я думаю, что проблемы в основном связаны с инженерными проблемами, которые в конечном итоге можно будет преодолеть», - сказал Шалаев. «Нет фундаментального закона физики, который предотвратил бы это».