Российские физики сделали большой шаг к созданию "плащей-невидимок"

Физики из Университета ИТМО и ряда зарубежных научных центров выяснили, как можно заставить наночастицы рассеивать свет не назад или вперед, а вбок. Это поможет создать "невидимые" метаматериалы, а также новые типы датчиков и голограмм, пишут ученые в журнале Physical Review Letters.

"Мы впервые объединили эффекты Керкера и анти-Керкера и вышли на новый уровень управления светом. Причем проблема была в нехватке физического понимания процесса и сведений о параметрах, придающих объектам такой уникальный оптический отклик. А нам и нашим зарубежным коллегам удалось их описать", – рассказывает Александр Шалин из Университета ИТМО.

Свет совершенно по-разному рассеивается, взаимодействуя с крупными телами материального мира, такими как линзы, зеркала или тело человека, и с небольшими объектами, в том числе атомами и наночастицами, чьи размеры заметно меньше, чем длина его волны.

Сила их взаимодействий в последнем случае будет сильно зависеть от свойств самих фотонов, что порождает массу любопытных эффектов, в частности то, почему небо окрашено в синий цвет и почему оно становится красным во время закатов и рассветов.

Это свойство света сегодня активно используется при разработке различных оптических метаматериалов, "нарушающих" законы оптики, в работе климатических спутников и целого ряда других научных приборов.

Одна из самых необычных форм рассеяния света, как отмечают Шалин и его коллеги, была открыта еще в середине прошлого века известным американским физиком Милтоном Керкером. Наблюдая за тем, как свет взаимодействовал с частичками аэрозолей, он обнаружил, что в некоторых случаях он рассеивался не в случайных направлениях, а двигался исключительно вперед по отношению к его изначальному источнику.

Существует еще один похожий эффект, заставляющий свет двигаться не вперед, а назад. Ученые достаточно давно пытаются использовать оба этих свойства света для того, чтобы научиться эффективно управлять его движением внутри световых чипов, для создания "плащей-невидимок" и других подобных конструкций.

Год назад, как отмечает Шалин, его коллеги из Австралии создали трехслойные наночастицы, похожие по структуру на луковицу, в которых одновременно наблюдался и тот, и другой эффект, в результате чего они начинали рассеивать свет вбок, а не вперед или назад.

Эта идея привлекла внимание российских физиков и их зарубежных соратников, задумавшихся о том, можно ли достичь подобного эффекта, используя более просто устроенные наночастицы. Просчитав их структуру при помощи уравнений Максвелла и компьютерных моделей, ученые изготовили наночастицы, способные взаимодействовать с микроволновым излучением, и проследили, как они будут вести себя при облучении подобными волнами.

Как показали эти опыты, и одиночные наночастицы, миниатюрные кубы из кремния длиной в 250 нанометров, и листы из подобных структур одинаково хорошо рассеивали свет вбок, почти не отражая его назад и не пропуская вперед.

За счет этого, по словам физиков, решетку из них можно сделать невидимой: внешние поля частицы будут подавлять друг друга, в то время как внутреннее поле будет только усиливаться. Такие решетки или отдельные частицы можно применять, например, для сенсоров, нелинейных устройств и голограмм.

Первые опыты такого рода Шалин и его коллеги уже провели, и в скором времени результаты этих экспериментов будут опубликованы в ведущих научных журналах мира.