Команда физиков из Университета ИТМО, Физико-технического института имени Иоффе и Австралийского национального университета исследовала явление фазового перехода между фотонными кристаллами и метаматериалами - двумя типами периодических структур, способных сложным образом манипулировать светом. Исследование помогает понять фундаментальные свойства периодических структур и открывает новые возможности для проектирования и создания новых электромагнитных материалов. Результаты исследования были опубликованы в Nature Communications.
И фотонные кристаллы, и метаматериалы представляют собой искусственные материалы, состоящие из небольших компонентов с разными электромагнитными свойствами. Они напоминают настоящие кристаллы, хотя основной компонент в этих материалах намного больше, чем просто атом или молекула. С точки зрения физики такие материалы интересны своей способностью эффективно контролировать распространение света. Фотоны в этих материалах могут двигаться по очень необычным траекториям, которые определяются свойствами компонентов, составляющих периодическую структуру материала.
Ученые из России и Австралии решили проверить, как изменятся оптические свойства таких материалов при постепенном изменении их параметров. В качестве модели ученые использовали? решетка из пластиковых баллонов, наполненных подогретой водой.
При взаимодействии со светом такая структура может генерировать два типа резонансов: локальный резонанс Ми, связанный с каждым цилиндром в отдельности, и расширенный резонанс Брэгга, возникающий из-за интерференции света, рассеянного от всех цилиндров. Если показатель преломления цилиндров высокий, то говорят, что структура относится к метаматериалам, а если низкий - к фотонным кристаллам.
Показатель преломления и расстояние между соседними цилиндрами являются двумя основными факторами, определяющими фотонные свойства материала.
Исследователи провели расчеты для 100 различных значений показателя преломления и 50 значений постоянной решетки - от случаев, когда цилиндры касались друг друга, до случаев, когда расстояние между цилиндрами достигало 100 радиусов одного цилиндра.
В результате было исследовано 5000 различных фотонных структур. Каждому было отведено свое место в классификации. Интерпретация данных позволила построить фазовую диаграмму перехода фотонного кристалла в метаматериал.
Обычно, когда мы говорим о фазовом переходе - резком изменении свойств материала - мы представляем себе превращение чего-то твердого в жидкое или, например, появление электрических свойств, вызванное изменением температуры или давления. Это связано с тем, что температура и давление определяют структуру материала на атомарном уровне. Мы влияем на него опосредованно, так сказать, просто изменяя параметры среды», - говорит Михаил Рыбин, первый автор исследования, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и ФТИ им. Иоффе.
"В случае фотонных структур мы сами определяем требуемые свойства материала, выбирая взаимное расположение и показатель преломления структурных элементов - метаатомов. Это позволяет ввести понятие фазовой диаграммы в множествах осей: геометрический размер - показатель преломления. В нашем случае периодическая структура порождает локальный отрицательный магнитный отклик, который выступает признаком метаматериала. Другими словами, структура из фотонного кристалла превращается в метаматериал", - добавляет Рыбин.
Чтобы проверить теоретический расчет, исследователи устроили метакристалл из пластиковых труб, наполненных нагретой водой. Измерения проводились в микроволновом диапазоне. В экспериментах фазовый переход осуществлялся двумя различными способами. Первый был вызван изменением температуры воды в метакристалле с 90 до 20 градусов Цельсия, что повлияло на показатель преломления воды. Второй способ заключался в изменении расстояния между трубками, т. е. уменьшении размера метакристалла. Этот метод напоминает повышение давления при обычных фазовых переходах.
Измерения идеально соответствовали теоретическим предположениям, необходимым для построения фазовой диаграммы. Таким образом, работа стала первой попыткой представить фотонные кристаллы и метаматериалы в рамках единой системы с набором параметров. Это важно, потому что теперь исследователям не нужны специальные расчеты, чтобы предугадать, какие материалы следует использовать для изготовления структурных элементов и насколько плотно они должны быть упакованы для получения метаматериала.