Новый метаматериал может быть использован для создания настоящего одностороннего стекла
Исследователям удалось создать новый оптический метаматериал с использованием обычных материалов. Его усиленный электромагнитный эффект может сделать реальностью настоящее одностороннее стекло, а солнечные панели — более эффективными.
Реакция традиционного материала на электрические и магнитные поля – и, следовательно, на свет – определяется атомами. Однако в оптических метаматериалах атомы заменяются метаатомами, которые можно структурно сконструировать так, чтобы они обладали свойствами, редко встречающимися в природе, что позволяет создавать уникальные электромагнитные отклики и точно манипулировать светом на наноуровне.
Способность контролировать и манипулировать светом на наноуровне открывает множество применений метаматериалов в различных областях. Теперь исследователи из Университета Аалто в Финляндии создали новый оптический метаматериал, который может сделать настоящее одностороннее стекло реальностью.
В своей наиболее общей форме магнитоэлектрический эффект (МЭ) означает связь между магнитными и электрическими свойствами материала. Хотя влияние намагничивания на традиционные материалы на оптических частотах незначительно, его можно усилить с помощью метаматериалов, где намагниченность может индуцироваться электрической составляющей света, а поляризация может создаваться магнитной составляющей.
Предыдущие исследования показали, что магнетизм силен на микроволновых частотах, вызывая выраженные МЭ-эффекты в этом диапазоне. Несмотря на два десятилетия теоретизирования, до сих пор было трудно реализовать метаматериал, который работал бы за пределами этого диапазона.
Новый метаматериал основан на невзаимном магнитоэлектрическом (НМЭ) эффекте. Не вдаваясь в «физику», эффект НМЭ подразумевает, что свойства намагничивания и поляризации материала связаны с различными компонентами света или других электромагнитных волн.
«Пока эффект НМЭ не привел к реальному промышленному применению», — сказал Шади Сафаи Джази, ведущий автор исследования. «Большинство предложенных подходов будут работать только с микроволнами, а не с видимым светом, и их также невозможно изготовить с помощью имеющихся технологий».
Исследователи успешно преодолели эти проблемы, используя существующие технологии и методы нанопроизводства, чтобы создать трехмерный оптический метаматериал НМЭ, отдельные метаатомы которого, изготовленные из обычных материалов, кобальта и кремния, самопроизвольно намагничиваются.
Новый метаматериал открывает путь к приложениям, для работы которых в противном случае потребовалось бы сильное внешнее магнитное поле, например, для настоящего одностороннего стекла.
Современное так называемое «одностороннее» стекло на самом деле просто полупрозрачно, пропуская свет в обоих направлениях. Оно действует как одностороннее стекло, когда есть разница в яркости между двумя сторонами. Однако одностороннее стекло на основе НМЭ не потребует такой разницы в яркости, поскольку свет может проходить через него только в одном направлении.
«Только представьте, что в вашем доме, офисе или машине есть окно с таким стеклом», — сказал Шади Сафаи. «Независимо от яркости снаружи, люди не смогут ничего увидеть внутри, а вы сможете наслаждаться прекрасным видом из окна».
Метаматериал также может сделать солнечные элементы более эффективными, блокируя тепловые выбросы, которые существующие элементы излучают обратно к солнцу, уменьшая количество энергии, которую они улавливают.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.