Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Новый метаматериал, необычно преломляющий свет, ускорит работу компьютеров

Группа ученых из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН предложила двумерный метаматериал из серебряных элементов, необычно преломляющий свет. Исследование опубликовано 18 ноября в Optical Material Express. В будущем подобные структуры могут быть использованы для разработки компактных оптических устройств, а также для создания «плаща-невидимки».

Результаты компьютерного моделирования, проведённого авторами, показали высокую эффективность работы материала для света с длиной волны 400-500нм (фиолетовый, синий и голубой цвет). Эффективностью в данном случае называют процент  света, рассеянного в нужном направлении. Она составляет около 70% для преломления и около 80% для отражения света. Теоретически эффективность может достигать 100%, но в реальных металлах существуют потери, связанные с омическим сопротивлением.

Метаматериал — материал, свойства которого обусловлены искусственно созданной периодической структурой. Приставка  “мета” (с греч. μετά — вне) указывает на то, что характеристики материала выходят за пределы, которые мы привыкли видеть в природе. Чаще всего, говоря о метаматериалах, имеют в виду материалы с отрицательным показателем преломления. При падении света на поверхность такого материала преломленный луч лежит по ту же сторону от нормали к поверхности, что и падающий. Разницу поведения света в среде с положительным и отрицательным показателем преломления можно увидеть на примере палочки погруженной в жидкость.

стаканы.png

 Среда с положительным (по центру) и отрицательным (справа) показателем преломления.
Источник изображения: Russian-English dictionary of Nanotechnology

Существование веществ с отрицательным показателем преломления  было предсказано еще в середине XX века. В 1976 году советский физик В. Г. Веселаго опубликовал статью, в которой теоретически описал их свойства, в том числе необычное преломление света. Сам термин «метаматериал» для таких веществ был предложен Роджером Уэлсером  в 1999 году. Первые образцы метаматериалов представляли из себя массивы из тонких проволочек и работали только с микроволновым излучением

https://lh6.googleusercontent.com/wMqiW8MQMaHntusajQQ2yEUGX7qcZnKWTa0gmubXO6hhFdZtW-ybFmLFP8uL1vX357v2yWhMDLxuw_oy27koKv971pPWwPAWnBgT6I5Jokq5hIiNkN1aZmarfIUk9d-P8tYKRJMn

Метаматериал, имеющий отрицательный показатель преломления для микроволнового излучения.

Источник изображения: Minas Tanielia/Boeing phantom works

Однако для  получения необычных оптических эффектов не обязательно нужен объемный метаматериал. Манипулировать светом можно и при помощи двумерных структур, так называемых  метаповерхностей. По сути, это — тонкие пленки, составленные из отдельных элементов.

image00 (2).jpg

                                                                                     

        Пример метаповерхности, позволяющей реализовать отрицательное лучепреломление.

Источник изображения: Birck Nanotechnology Center, Purdue University


Принцип работы метаповерхности основан на явлении дифракции. Любой плоский периодический массив представляет из себя дифракционную решетку, которая «расщепляет» падающий на нее свет на несколько лучей. Количество и направление лучей зависит от геометрических параметров: угла падения, длины волны и периода решетки. Структура элементарной ячейки, в свою очередь, определяет, как распределится между лучами энергия падающего света. Для получения отрицательного показателя преломления нужно, чтобы все дифракционные лучи кроме одного были подавлены, тогда весь падающий свет будет перенаправлен в нужном направлении.   

Именно эта идея лежит в основе недавней работы группы ученых из МФТИ и ИТФ им. Ландау. Элементарная ячейка предложенной ими решетки представляет собой пару близко расположенных серебряных цилиндров радиусом порядка 100 нанометров (см. рисунок). Такая структура проста и работает в оптической области, в то время как большинство аналогов обладают более сложной геометрией и работают только с микроволновым излучением.

https://lh6.googleusercontent.com/lIcuPyplaHxNNKMZJhNM9vlyCfpw8r7m6vjZDap1xDG622oBBby0sVRlrppngYlzCLGGTHQ2CXsW0XM41KboBPiZBI-kERYXxUmMntvNevjbVHf8PXpTMflVE0aVtS69Eoz8Hit0

Варианты предложенной структуры из пар серебряных цилиндров.Изображение предоставлено авторами исследования.

Эффективное взаимодействие пар металлических цилиндров со светом происходит благодаря эффекту плазмонного резонанса.  Свет поглощается металлическими стержнями, заставляя электроны в металле колебаться, и переизлучается. Исследователям удалось подобрать параметры ячейки таким образом, чтобы результирующий оптический отклик решетки соответствовал аномальному (т.е отрицательному) преломлению падающей волны (см. рисунок). Интересно, что поменяв ориентацию пар цилиндров, можно получить эффект аномального отражения. Отметим, что схема работает в широком диапазоне углов падения.     


пикча 5.png

Аномальное преломление света на предложенной структуре. Красным и синим цветом изображены лучи, имеющие разную фазу. Градиент цветов определяет интенсивность излучения.

Изображение предоставлено авторами исследования.

Полученные результаты могут быть применены для управления оптическими сигналами в ультракомпактных устройствах. Здесь речь идет прежде всего о технологиях оптической передачи и обработки информации, которые в будущем помогут ускорить работу компьютеров. Используемые в современных чипах электрические межсоединения работают на пределе своих пропускных способностей и тормозят дальнейший рост производительности вычислительных систем. Для перехода от электрических межсоединений к оптическим необходимо уметь эффективно управлять оптическими сигналами на наномасштабе. Во многом именно на решение этой задачи направлены усилия научного сообщества по созданию структур, способных «поворачивать» свет в нужном направлении.  

Следует отметить, что экспериментальная демонстрация аномального рассеяния с помощь описанной выше решетки требует изготовления гладких металлических цилиндров, разделенных очень маленьким (менее 10 нанометров) зазором. Это достаточно сложная практическая задача, решение которой может стать прорывом для современной фотоники.
Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика