В итоге получается материал, который обладает уникальными свойствами. Скажем, описанный образец обладает отрицательным показателем преломления, что было экспериментально показано в 2005 году исследователями из Университета Пёдъю (Purdue University) в США. Как известно, у вакуума показатель преломления ровно единица, у других, «обычных», веществ (вода, стекло) он больше единицы, а показателя меньше единицы у природных веществ не бывает. А здесь не то что меньше единицы, а даже меньше нуля!
К понятию «метаматериал» есть ещё и другой подход, с позиции уровней организации материи. Можно считать, что тот метаматериал, который я только что приводил в пример, состоит из атомов, составляющих стекло и атомов золота, но организованных сложным образом. Сначала мы должны атомы золота уложить в столбики, а затем эти столбики объединить нужным образом в пары. Один столбик в отдельности не обладает отрицательным показателем преломления, и набор одиночных столбиков тоже не обладает. А вот композитный материал из пар столбиков уже будет обладать.
Таким образом, в таком материале можно выделить два уровня организации исходных атомов. Второй уровень (то есть, объединение в пары) является уже метауровнем с позиции атомов золота. Отсюда и название — метаматериалы.
Базовый структурный элемент метаматериала создается искусственно, он рукотворный, поэтому не может быть слишком маленьким. С другой стороны, раз мы хотим говорить о материале, то есть подходить макроскопически, надо усреднять по большому числу этих элементарных «кирпичиков». Значит, они не могут быть и слишком большими. Так, если рассматривать взаимодействие с излучением, значит, надо усреднить по масштабу меньшему, чем длина волны. Для оптики это примерно 500 нм. И понятно, почему интерес к этому вопросу возник именно сейчас: прогресс технологии сделал возможным создание структурных элементов с размерами меньше микрона.
- А где они применяются?
- Это очень молодая область, и в ней слишком много непонятного. Пока технологическое достижение заключается в том, что удается сделать только очень маленькие образцы метаматериалов. Применений пока мало. Но если говорить не об оптике, а о терагерцевом диапазоне (длина волны на два-три порядка больше, чем в оптике), то здесь уже видны и пути применения таких наработок.
Скажем, созданы такие метаматериалы, представляющие собой полоски из пленок полупроводника, свернутые спиралью и покрытые металлом. Они уложены в виде массива на какую-то подложку. Размер этих полосок меньше, чем длина волны, то есть такое излучение воспринимает этот массив усреднено, как некий специфический материал.
Сотрудники нашего института показали в эксперименте, что таким образом удаётся поворачивать плоскость поляризации терагерцевого излучения. Дело в том, что терагерцевый диапазон весьма специфичен, элементная база — источники, преобразователи излучения, фотоприемники для терагерцевого диапазона ещё только появляются. Кстати, у нас в Академгородке недавно построили лазер на свободных электронах. Это как раз источник когерентного терагерцевого излучения. В оптике есть очень большой арсенал оптических элементов — линзы, призмы, дифракционные решётки.
В терагерцевом диапазоне пока практически ничего нет, поэтому создание элемента, который эффективно поворачивает плоскость поляризации, можно считать достойным практическим выходом. Так что применение метаматериалов уже есть, но пока не в оптическом диапазоне.
- Группа учёных для создания своей «невидимки» использовала фотонный кристалл. Почему подходит именно он?
- Фотонным кристаллом называют оптический элемент, в котором есть периодичность — в одном, двух или трёх измерениях. Скажем, есть дифракционная решётка. Это последовательность штрихов, которые периодически расположены на малом расстоянии, сравнимом с длиной волны, скажем, 500 штрихов на 1 миллиметр. Наглядный пример дифракционной решётки — любой компакт-диск. Он имеет примерно 1000 дорожек на 1 миллиметр. В принципе, дифракционную решётку вполне можно назвать фотонным кристаллом, хотя это название появилось намного позже и больше применяется по отношению к двумерным и трёхмерным периодическим структурам.
В данной работе действительно используется образец типа фотонного кристалла. Насколько я понимаю, авторам нужно было создать образец, у которого показатель преломления сложным образом распределён в пространстве. Как именно авторы используют периодичность, присущую фотонным кристаллам, я не понимаю, — для этого надо знакомиться с работой более детально. Вообще, метаматериалы могут и не обладать периодичностью структуры, то есть не быть фотонными кристаллами.