Есть вещи, которые в физике считались само собой разумеющимися. Одна из них — направление преломления света. Луч входит в материал и предсказуемо отклоняется, по законам Снеллиуса. Именно на этом принципе работают все линзы, призмы и оптоволокно. Но исследователи из Гонконга только что показали: бывает иначе.
Когда свет идёт не туда
Отрицательное преломление — явление, при котором световой луч отклоняется в сторону, противоположную обычной. Звучит как фантастика, но физика это допускает. Проблема в другом: до недавнего времени добиться такого эффекта можно было лишь в метаматериалах — рукотворных структурах с хитро организованной периодической решёткой, которые в природе не встречаются. Изготовить их непросто, масштабировать — ещё сложнее.
Гонконгская группа нашла обходной путь: они взяли природный магнитный полупроводник CrSBr и обнаружили, что он справляется с задачей без всяких искусственных ухищрений.
CrSBr: материал с характером
Хромистый бромсульфид — слоистый полупроводник с выраженными магнитными свойствами. Внутри него магнитные моменты атомов выстроены в одном направлении, и это напрямую влияет на поведение экситонов — квазичастиц, рождающихся при взаимодействии света с веществом. Проще говоря, экситон — это пара из электрона и «дырки», которую он покинул, связанная электростатически.
Когда свет падает на тонкую пластинку CrSBr, экситоны не просто поглощают его и рассеивают: они перенаправляют энергию строго в обратном направлении. Именно это и есть отрицательное преломление, реализованное через внутренние свойства материала, а не через сложную искусственную архитектуру.
Гиперлинза на одном кристалле
На базе CrSBr учёные собрали нанофотонный чип, выполняющий функцию гиперлинзы. Пластинка материала интегрирована в фотонную схему: свет входит, экситоны направляют его по изогнутым траекториям и сводят в фокальную точку размером порядка длины волны. Обычные линзы так не умеют — дифракционный предел не позволяет сфокусировать свет точнее половины длины волны. Гиперлинза этот барьер обходит.
Ещё одна особенность — устройство переключаемое. Магнитный порядок в CrSBr меняется под действием внешнего поля или температуры, что позволяет переводить чип из режима обычного преломления в режим отрицательного и обратно. Фактически это оптический переключатель без движущихся частей.
Что дальше
Команда планирует совместить CrSBr с другими фотонными компонентами и собрать прототипы реальных устройств, управляемых суперлинз и оптических переключателей на магнитной основе. Отдельное направление — многослойные структуры с муаровыми суперрешётками, где поведение экситонов можно менять геометрией укладки слоёв.
Практические перспективы — микроскопия за пределами дифракционного лимита, литография для производства чипов следующих поколений и оптические процессоры, где вычисления выполняет свет, а не электрический ток.