Учёные придумали "умное" зеркало, прозрачное для лучей разных направлений

Необычное зеркало, разработанное американскими учёными, при вращении становится прозрачным. Такое становится возможным благодаря материалу, который фильтрует лучи света в зависимости от их направления. Это открытие однажды может помочь фотографировать слабосветящиеся космические объекты.

Напомним, что свет обладает тремя основными характеристиками: длиной волны или частотой (фактически цветом), поляризацией и направлением. Учёные давно научились фильтровать свет по длине волны и в зависимости от поляризации. Например, по такому принципу работают поляризационные 3D-очки: каждый глаз видит немного иное изображение.

Фильтровать свет по направлению его распространения (когда сквозь преграду может пройти свет, падающий только под определённым углом) оказалось гораздо сложнее.

Ичэнь Шэнь (Yichen Shen) из Массачусетского технологического института и его коллеги решили проблему, используя структуру, изготовленную из 84 ультратонких чередующихся слоёв обычного стекла и оксида тантала.

Когда свет проходит от одного слоя к другому, лучи отражаются лишь частично — кроме тех, что падают под определённым углом. Любой свет, который попадает на поверхность слоя под так называемым углом Брюстера и с определённой поляризацией, пройдёт прямо сквозь него — так, словно отражающей поверхности вовсе нет. Угол Брюстера отличается для каждого материала, в зависимости от способности преломления материала.

Прямоугольный образец, на который проецируются лучи разнх направлений. Белый луч проходит сквозь образец, как если бы он представлял собой прозрачное стекло. Падающий под другим углом красный луч отражается, как если бы образец был зеркалом (фото Weishun Xu, Yuhao Zhang).

С помощью 84 слоёв команда Шэня значительно увеличила отражательную способность материала, не вмешиваясь при этом в "способности" поляризованного света. Благодаря такому подходу, свет проходит сквозь образцы под углом Брюстера и в результате поверхность, которая выглядит как зеркало, при вращении вдруг становится прозрачной в одной точке.

Предыдущие попытки создать такие поверхности были ограничены несколькими частотами или же частотами невидимого диапазона. Нынешняя работа — первая, охватившая все видимые области спектра.

Шэнь утверждает, что в один прекрасный день этот материал может быть использован для получения фотографий слабосветящихся объектов, которые находятся рядом с яркими объектами, как правило, доминирующими на изображениях. Размещённый перед объективом камеры, материал будет устанавливаться под таким углом, чтобы свет от более слабого объекта падал под углом Брюстера и проходил в отверстие, в то время как свет от яркого объекта просто отражался от фильтра.

"С помощью системы, которая принимает свет, приходящий лишь под определённым углом, от тёмного объекта, камера получит возможность снимать слабосветящиеся цели", – говорит учёный.

Два падающих белых луча: один проходит сквозь образец, другой – отражается. Вся установка прогружена в особую жидкость, чтобы исследователи могли проследить за ходом лучей (фото Weishun Xu, Yuhao Zhang).

Тот же принцип может быть использован, например, для создания радаров, которым будет легче обнаруживать объекты, приближающиеся в определённом направлении. Возможно, по этой причине данная научная работа частично финансируется американской армией. Также новый подход может пригодиться при изготовлении солнечных батарей, детекторов для телескопов и микроскопов, а ещё фильтров конфиденциальности для экранов мониторов (чтобы невозможно было подсмотреть за работой пользователя со стороны).

Впрочем, данная разработка отнюдь не такая универсальная, как её подают Шэнь и его коллеги. По мнению учёных, не принимавших участия в работе, из-за того что падающий свет обычно неполяризованный или не имеет конкретной поляризации, понадобится создание универсальной версии устройства, которая работает для всех возможных поляризаций. Вот только для этого потребуются материалы, которых пока ещё не существует.

Ещё одной проблемой является тот факт, что зеркало работает, только если оно находится в жидкости с таким же коэффициентом преломления, что и стекло. Воздух же имеет другой коэффициент преломления и становится третьим слоем, портящим оптический трюк. Но учёные надеются, что это можно будет исправить благодаря замене стекла другим материалом с подобным воздуху показателем преломления – например, аэрогелем.