Fysikere forudsiger eksistensen af ​​usædvanlige optiske kompositter

Fysikere fra MIPT har forudsagt eksistensen af ​​transparente kompositmedier med usædvanlige optiske egenskaber. Brug af grafikkortbaserede simuleringer, forskere studerede regelmæssige volumenstrukturer sammensat af to dielektrikere med tætte parametre, og fandt ud af, at disse strukturs optiske egenskaber adskiller sig fra både naturlige krystaller og kunstige periodiske kompositter, som i øjeblikket tiltrækker stor interesse.

Den teoretiske undersøgelse foretaget af seniorforsker Alexey Shcherbakov og sjetteårsstuderende Andrey Ushkov, som begge arbejder i Laboratoriet for Nanooptik og Plasmonik, er afsat til specifikke kompositmedier, der blev simuleret ved hjælp af en fremgangsmåde, der blev udarbejdet af gruppen. Disse medier muliggør eksistensen af ​​en effekt kaldet dobbeltbrydning - når den lyses af en lysstråle, den originale stråle deler sig i to inde i mediet. I deres artikel offentliggjort i Optik Express , fysikerne forudsagde eksistensen af ​​sammensatte krystalstrukturer af en ny type, hvor dobbeltbrydning sker på en ganske anden måde end den gør i naturlige krystaller.

Opdelingen af ​​en stråle i to i dobbeltbrydende materialer skyldes afhængigheden af ​​egenskaberne af en krystal af retningen for lysbølgeforplantning, og polariseringen af ​​lysbølger. Polarisering er retningen for de elektromagnetiske feltsvingninger i bølgen; almindeligt lys er en kaotisk blanding af bølger med forskellige polarisationer.

For at forstå polarisering, forestil dig et langt reb fastgjort i den ene ende til en væg. Hvis nogen strækker rebet og periodisk begynder at flytte rebets frie ende, bølger vil dukke op. Den frie ende kan flyttes enten vandret eller lodret. Hele rebet ville derefter bevæge sig enten i henholdsvis et vandret eller lodret plan, og det er de to forskellige polarisationer af bølger i rebet.

Når lyset formerer sig gennem en dobbeltbrytende krystal, nogle af bølgerne med ét polarisationsskift i en retning, hvorimod de andre, med en anden polarisering, skifte i en anden retning. Ved hjælp af denne ejendom, forskere kan bruge krystallen til at filtrere helt eller delvis polariseret lys afhængigt af polariseringstilstanden for den indledende indfaldende stråle. Dette fænomen kunne have været brugt af vikinger, der opdagede solens position på en overskyet himmel med Island spar. I dag, dobbeltbrytende krystaller er meget udbredt i laserteknikker.

Teorien om dobbeltbrydning involverer begreberne optisk akse og isofrekvensoverflade. Det første udtryk refererer til en retning i krystallen, hvor hændelsesbølgen ikke deler sig i to. For eksempel, Island spar har en enkelt optisk akse, og saltkrystaller har ingen, da de ikke besidder dobbeltbrydning. Der er materialer med to optiske akser, såsom Glaubers salt, hvis grundbestanddel er meget udbredt i glasindustrien og vaskemiddelfremstilling. Inden for klassisk krystaloptik, eksklusive magnetiske og gyrotropiske (relateret til polarisationsrotation) effekter, alle krystaller er opdelt i tre typer:isotrop, og anisotrop med en eller to optiske akser.

Det andet koncept, isofrekvensoverflade, illustrerer afhængigheden af ​​lysets hastighed i en krystal i rumlig retning. Denne overflade tegnes på en sådan måde, at længden af ​​en vektor, der starter fra koordinatrammens oprindelse og slutter ved et overfladepunkt, er lig med forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum og lysets hastighed i krystallen i den retning, der er angivet med vektoren. Isofrekvensoverfladen af ​​en isotrop krystal er en kugle, hvis radius er lig med krystalbrydningsindekset, da lyset formerer sig i et isotropisk medium med samme hastighed i enhver retning. Brydningsindekset for transparente materialer er altid større end enhed.

For dobbeltbrydende medier, formen på isofrekvensoverfladen adskiller sig fra kuglen. I øvrigt, selve overfladen ser ud som om den består af to dele, en indre og en ydre del. Disse to dele illustrerer, hvor langsommere lyset formerer sig i krystallen end i et vakuum i hver retning for to forskellige lyspolarisationer. Punkter, hvor overfladens dele skærer hinanden, angiver de optiske akser, retninger, hvor lysets hastighed ikke afhænger af polarisationen. Figuren herunder viser isofrekvensoverflader til salt, Island spar og Glaubers salt.

Ud over klassisk krystaloptik, hvis grundlæggende læres normalt til fysikstuderende, det ser ud til, at selv krystaller med et enkelt kubisk gitter, såsom salt, er optisk anisotrope, dvs. lyset der formerer sig forskelligt i forskellige retninger. I det enkleste tilfælde, denne anisotropi blev beskrevet af Hendrik Lorentz i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Hele syv optiske akser blev fundet i sådanne krystaller. Denne effekt blev bekræftet eksperimentelt i slutningen af ​​det 20. århundrede, da forskere begyndte at bruge lasere til forskning. Imidlertid, de to dele af isofrekvensoverfladen syntes at være næsten ikke til at skelne (en relativ forskel i størrelsesordenen 10-5-10-6), så en sådan anisotropi praktisk talt forsvinder. I moderne teknologier, det tages kun i betragtning i ultrahøj præcision optiske projektionsbeslag til dyb ultraviolet nanolithografi, som bruges i moderne mikroelektronisk fremstilling.

Ud over naturlige krystaller, såsom birefringent Island spar, forskere er i stand til at manipulere krystalstrukturen ved hjælp af kunstige materialer. Fremskridt inden for mikro- og nanofabrikation i løbet af de sidste to årtier skubbede undersøgelser af disse kunstige materialer, herunder metamaterialer og fotoniske krystaller mod kanten af ​​optisk videnskab. Det normale atom- eller molekylarrangement erstattes af et regulært geometrisk mønster i disse strukturer. Dette mønster kan sammenlignes med et pryddesign på en juvelkasse i træ, men i tre dimensioner og med en skala fra snesevis af nanometer til hundredvis af mikrometer.

Kunstige regelmæssige strukturer, fotoniske krystaller og metamaterialer kan udvise temmelig usædvanlige optiske egenskaber, som dramatisk adskiller sig fra egenskaberne ved naturlige krystaller. For eksempel, periodisk strukturering på mikro- og nanoskalaer gør det muligt for forskere at overvinde diffraktionsgrænsen for mikroskopopløsning, og skabe flade linser. Metamaterialer kan have et negativt brydningsindeks og være stærkt optisk anisotrope. Den nye artikel af Alexey Shcherbakov og Andrey Ushkov bygger bro mellem naturlige krystaller og de nævnte kunstige fotoniske materialer, og beskriver optiske kompositter, som på den ene side ikke kan beskrives inden for rammerne af klassisk krystallografi, og på den anden side er ikke traditionelle fotoniske krystaller eller metamaterialer.

Forfatterne til den nyligt publicerede forskning brugte deres egen model og metode, som de kørte på NVidia grafikbehandlingsenheder, at simulere sammensat dielektrik periodisk struktureret i tre dimensioner, dvs. et 3-D gitter af to gennemsigtige materialer. I modsætning til metamaterialer og fotoniske krystaller, hvor den optiske kontrast mellem gitterbestanddele er stærk, MIPT -fysikere studerede en kombination af lavt brydningsindeks og lavt optisk kontrastmedium med en relativt lille periode, omkring en tiendedel af bølgelængden. På trods af at denne kombination ikke almindeligvis implicit blev antaget at give interessante effekter, forskningen viste, at nogle interessante fysiske fænomener blev overset.

For lave værdier af perioder med undersøgte strukturer kan deres optiske egenskaber faktisk ikke skelnes fra den naturlige optik af naturlige krystaller:kompositter med et kubisk gitter er praktisk talt isotrope, der henviser til, at kompositter med, for eksempel, tetragonale og orthorhombiske gitter viser uniaksiale og tosidige egenskaber. Imidlertid, forlængelse af perioden, samtidig med at beskrivelsen af ​​kompositmaterialet som et effektivt medium holdes gyldig, som forfatterne demonstrerede, kan forårsage meget usædvanlig adfærd.

Først, der optræder nye optiske akser (op til ti akser i en orthorhombisk krystal). I øvrigt, mens retningerne for optiske akser er faste inden for klassisk krystallografi, nogle af de nye optiske aksers retninger viser sig at være afhængige af forholdet mellem periode og bølgelængde. Sekund, i den retning, hvor den maksimale forskel på lysets hastighed for to polarisationer forekommer i små perioder (den maksimale afstand mellem de to dele af isofrekvensoverfladen), denne forskel kan praktisk talt gå til nul, eller, med andre ord, retningen kan blive en optisk akse, i en vis relativt stor periode. Udover, på grund af anvendelsen af ​​den strenge metode, forfatterne opnåede kvantitative vurderinger af validiteten af ​​den effektive medium -tilnærmelse.

"Forskere nævnte faktisk, at det kan være muligt for en krystal at besidde talrige optiske akser i midten af ​​det 20. århundrede-dette blev udtalt, for eksempel, af den russiske nobelprisvinder Vitaly Ginzburg. Imidlertid, i naturlige krystaller er sådanne virkninger umulige på grund af periodens lillehed, og der var ingen teknologier til at fremstille en komposit af god kvalitet. Derudover computermaskinernes kraft var også utilstrækkelig til at estimere de nødvendige korrektioner til anisotrop dielektrisk permittivitet, der kommer fra gitteranisotropi. Vores resultat er baseret på fælles brug af moderne metoder til beregningsfysik sammen med den høje computerkraft, der leveres af grafikkort. I vores arbejde udviklede vi også en tilgang, der giver os mulighed for at beregne en effektiv optisk reaktion af et komplekst komposit med kontrolleret præcision i kraft af såkaldte første principberegninger (i vores tilfælde, en streng løsning af Maxwells ligninger), "sagde Alexey Shcherbakov og beskrev resultaterne.

Muligheder for praktiske anvendelser kan komme efter eksperimentel validering af de teoretiske forudsigelser. Moderne teknologier tillader i princippet fremstilling af kompositter af interesse til drift i forskellige optiske bånd. For eksempel, 3D-multiphoton-litografi i høj opløsning kan bruges til det infrarøde bånd, hvorimod man kan anvende mikrostereolitografi for terahertz -båndet. De opdagede effekter gør kunstig krystalanisotropi stærkt afhængig af strålingsbølgelængden, hvilket ikke er tilfældet for gennemsigtige naturlige krystaller. Dette kan sætte forskere i stand til at udvikle nye typer af optiske polariseringskontrolelementer.