Дослідники з CIC nanoGUNE (Сан-Себастьян, Іспанія) повідомили Science про розвиток так званої гіперболічної метаповерхності, на якій поширюється світло з повними зміненими хвильовими фронтами. Це наукове досягнення націлене на більш точний контроль і моніторинг світла, дуже цікаво з точки зору мініатюризації оптичних пристроїв для зондування та обробки сигналів.
Оптичні хвилі, що поширюються від точкового джерела, зазвичай мають кругові (випуклі) хвильові фронти. "Подібно до хвиль на водній поверхні, які утворюються від падіння каменю, - каже Пейнін Лі, автор статті. Причиною цього кругового поширення є те, що середовище, через яке проходить світло, зазвичай є однорідним і ізотропним, тобто однорідним у всіх напрямках.
Вчені теоретично передбачили, що спеціально структуровані поверхні можуть змінювати хвильові фронти світла, коли світло поширюється вздовж них. «На таких поверхнях, званих гіберболічними метаповерхностями, хвилі, випромінювані точковим джерелом, поширюються тільки в певних напрямках і з відкритими (увігнутими) хвильовими фронтами», - пояснює Хав'єр Альфаро, доктор філософії і співавтор статті.
Ці незвичайні хвилі називаються гіперболічними поверхневими поляритонами. Оскільки вони поширюються тільки в певних напрямках і з довжиною хвилі, яка набагато менше довжини світла у вільному просторі або стандартних хвилеводах, вони можуть допомогти зменшити розміри оптичних пристроїв для сприйняття і обробки сигналів.
Тепер дослідники розробили таку метаповерхність для інфрачервоного світла. Вона заснована на нітриді бора, графеноподібному двомірному матеріалі, який був обраний через його здатність керувати інфрачервоним випромінюванням на надзвичайно малих масштабах довжини. Це може застосовуватися в мініатюрних хімічних датчиках або для управління теплом в наномасштабних оптоелектронних пристроях. Дослідники безпосередньо спостерігали увігнуті хвильові фронти зі спеціальним оптичним мікроскопом.
Гіперболічні метаповерхності складно виготовити, тому що потрібно надзвичайно точне структурування на нанометровій шкалі. Ірен Доладо, доктор філософії і Сауль Велез, докторант-дослідник в ETH Zürich впоралися з цим завданням, використовуючи електронно-променеву літографію і травлення тонких пластівців високоякісного нітриду бору, наданого Канзаським державним університетом. «Після декількох кроків оптимізації ми досягли необхідної точності і отримали решітчасті структури з розміром зазору до 25 нм», - говорить Доладо. «Ті ж самі методи виготовлення також можуть бути застосовані до інших матеріалів, які могли б прокласти шлях для реалізації штучних метаструктурних матеріалів за допомогою спеціальних оптичних властивостей», додає Сауль Велез.
Щоб побачити, як поширюються хвилі вздовж метаповерхності, дослідники використовували сучасну технологію інфрачервоного нановипромінювання, яка була вперше створена групою оптиків з nanoGUNE. Спочатку вони помістили нано-стрижень (nanorod) золота на метаповерхність. «Він відіграє роль каменя, скинутого у воду», - каже Пейнін Лі. Нано-стрижень концентрує падаюче інфрачервоне світло в крихітну пляму, яка запускає хвилі, які потім поширюються вздовж метаповерхності. За допомогою так званого скануючого близькохворого мікроскопа (s-SNOM) розсіяного типу дослідники спостерігали хвилі. "Дивно було бачити зображення. Вони дійсно показали увігнуту кривизну хвильових фронтів, які поширювалися від золотого нанопорошка, точно так само, як передбачено теорією ", - говорить Райнер Хілленбранд, професор Ikerbasque nanoGUNE, який керував роботою.
Отримані результати обіцяють наноструктуровані двомірні матеріали, які стануть новою платформою для пристроїв і схем гіберболічної метаповерхності, а також продемонструють, як можна застосовувати близькохвору мікроскопію для розкриття екзотичних оптичних явищ в анізотропних матеріалах і для перевірки нових принципів проектування метаповерхностей.