Новый материал с наноархитектурой преломляет свет назад

Недавно созданный материал с наноархитектурой обладает свойством, которое ранее было возможно только теоретически: он может преломлять свет назад, независимо от угла, под которым свет падает на материал.

Это свойство известно как отрицательное преломление, и оно означает, что показатель преломления* — скорость, с которой свет может проходить через данный материал, — отрицателен в части электромагнитного спектра под любым углом.

Преломление — обычное свойство материалов; например, соломинка в стакане с водой кажется сдвинутой в сторону, или о том, как линзы фокусируют свет. Но отрицательное преломление заключается не только в смещении света на несколько градусов в одну сторону. Скорее, свет направляется под углом, полностью противоположным тому, под которым он попал в материал.

Этого не наблюдалось в природе, но, начиная с 1960-х годов, предполагалось, что оно происходит в так называемых искусственно периодических материалах, то есть в материалах, созданных так, чтобы иметь определенный структурный паттерн. Только теперь процессы изготовления догнали теорию, чтобы сделать отрицательное преломление реальностью.

«Отрицательное преломление имеет решающее значение для будущего нанофотоники, которая стремится понять и управлять поведением света, когда он взаимодействует с материалами или твердыми структурами в наименьших возможных масштабах», — говорят ученые.

Новый материал приобретает свои необычные свойства благодаря сочетанию организации на нано- и микроуровне и добавлению покрытия из тонкой пленки металлического германия посредством трудоемкого процесса.

Под электронным микроскопом структура нового материала напоминает решетку из полых кубов. Каждый куб настолько мал, что ширина ребер, составляющих структуру куба, в 100 раз меньше ширины человеческого волоса. Решетка была построена из полимерного материала, с которым относительно легко работать в 3D-печати, а затем покрыта металлическим германием.

Чтобы получить равномерное покрытие полимера металлом в таком масштабе, исследовательской группе потребовалось разработать совершенно новый метод. В конце концов, ученые использовали метод распыления, при котором диск германия бомбардировали высокоэнергетическими ионами, которые выбрасывали атомы германия с диска на поверхность полимерной решетки.

У новой технологии есть потенциальные приложения для телекоммуникаций, медицинской визуализации и вычислений.

В 1965 году выпускник Калифорнийского технологического института Гордон Мур предсказал, что интегральные схемы будут становиться вдвое сложнее каждые два года. Однако из-за фундаментальных ограничений на рассеиваемую мощность и плотность транзисторов, допускаемых нынешними кремниевыми полупроводниками, масштабирование, предсказанное законом Мура, должно скоро закончиться.

«Мы приближаемся к концу нашей способности следовать закону Мура, делая электронные транзисторы настолько маленькими, насколько это вообще возможно», — говорят исследователи.

Текущая работа — это шаг к демонстрации оптических свойств, которые потребуются для включения трехмерных фотонных схем. Поскольку свет движется намного быстрее, чем электроны, трехмерные фотонные схемы теоретически должны быть намного быстрее, чем традиционные.

*Показатель преломления — физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах. Для воды показатель преломления составляет 1,333, что означает, что в ней свет движется в 1,333 раза медленнее, чем в вакууме (примерно 225 000 км/с).