Современная оптика переживает настоящий «наноренессанс». Если еще недавно оптические приборы ассоциировались с массивными линзами и зеркалами, то сегодня всё больше внимания уделяется метаповерхностям — тончайшим плоским структурам, которые могут управлять светом так же эффективно, как традиционные громоздкие элементы. Их секрет — в наночастицах, расположенных в особых геометрических узорах.
Недавнее исследование российских физиков (ВлГУ, МФТИ) совместно с коллегами из Дубая показало, что необычные зеркала можно создавать из тримеров наночастиц — крошечных «треугольников», составленных из сфер диаметром менее микрона. Эти сферы выполнены из дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ), таких как MoS₂ (дисульфид молибдена) и WS₂ (дисульфид вольфрама). Именно их сочетание и форма обеспечивают новые возможности в управлении светом.
Что такое метаповерхности и зачем они нужны?
Представьте себе витражное окно. Оно не просто пропускает свет, а раскладывает его на цвета, создавая узор. Метаповерхности действуют похожим образом, но работают на уровне нанометров — в десятки тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.
Вместо стекла здесь используются наночастицы, каждая из которых способна «ловить» и перенаправлять свет за счёт особых резонансов (аналогично тому, как натянутая струна резонирует на определённой ноте).
Объединяя такие частицы в кластеры — олигомеры (димер = 2 частицы, тример = 3, квадрумер = 4 и т.д.), учёные могут «настраивать» их совместное поведение. Это позволяет получать устройства для:
- сверхкомпактных линз и зеркал,
- сенсоров для биомедицины и химии,
- усиления нелинейных оптических эффектов (например, генерации гармоник),
- управления поляризацией и направлением света.
Почему именно треугольники?
Авторы работы сосредоточились на тримерах — трёх наночастицах, расположенных в вершинах треугольника. Такой трёхугольник ведёт себя не как сумма отдельных точек, а как единая оптическая система, где каждая частица взаимодействует с соседними через так называемые ближнеполевые взаимодействия.
Особенно интересно, если треугольник неправильный. Например: две частицы — из WS₂, третья — из MoS₂. Эта асимметрия ломает симметрию системы и позволяет возбуждать бианизотропные отклики — особые состояния, когда электрические и магнитные диполи связаны необычным образом.
Если сравнивать с музыкой, то каждая наночастица — это как инструмент в ансамбле. В симметричном трио они играют в унисон. Но стоит заменить один инструмент на другой — появляется богатый аккорд, новые обертона и гармонии. Именно это и происходит со светом в таком тримере.
Квазизапертые моды — «ловушки» для света
Ключевой результат работы связан с возбуждением так называемых квазизапертых мод (КЗМ). Это состояния, в которых свет как будто «заперт» в структуре: он взаимодействует с ней очень долго, прежде чем рассеивается.
Можно представить КЗМ как «эхо-камеру для фотонов». Звук, попавший в пустую комнату, долго отражается от стен, и вы слышите затяжное эхо. Так же и фотон, попавший в метаповерхность с КЗМ, задерживается внутри, многократно усиливая эффекты взаимодействия.
Авторы показали, что в их тримере возбуждаются сразу две разные КЗМ: одна связана с частицами WS₂, другая — с MoS₂. Каждая из них проявляется на своей длине волны в ближнем инфракрасном диапазоне (1470 нм и 1557 нм).
От треугольников к зеркалу
Что происходит, если расположить такие тримеры в регулярную решётку? Получается метазеркало. Но необычное: оно отражает почти весь свет только в узком спектральном диапазоне, а в других диапазонах может вести себя иначе.
В экспериментальных расчётах удалось добиться коэффициента отражения до 92 % между двумя резонансами КЗМ. Проще говоря, структура работает как селективное зеркало, которое «видит» лишь определённые цвета света.
Как это можно использовать?
Такие спектрально-селективные зеркала и метаповерхности открывают дорогу к:
- компактным оптическим фильтрам и лазерным зеркалам,
- сенсорам, которые способны улавливать малейшие изменения в составе вещества по сдвигу резонансов,
- фотонным микросхемам для обработки сигналов,
- новым устройствам для биомедицины и химического анализа.
Кроме того, метод изготовления предполагает использование лазерного переноса наночастиц, что делает его технологически более гибким по сравнению с дорогой электронной литографией.
Итог
Работа Шестерикова, Губина, Арсенина, Волкова и Прохорова показывает, что даже простейшие геометрические комбинации наночастиц могут радикально изменить свойства света. Сочетание материалов (MoS₂ и WS₂) и форма (неправильный треугольник) дают возможность создавать плоские зеркала с настраиваемым спектральным откликом.
Если обычное зеркало отражает всё подряд, то такое метазеркало — «умное»: оно выбирает, какие длины волн оставить, а какие пропустить. Это ещё один шаг к будущему, где оптика станет не громоздкой, а «нано-тонкой», гибкой и адаптивной, как программируемая поверхность для управления светом.
Подписывайтесь на канал чтобы не пропустить новые статьи