Провернуть свет сквозь решето

Российские физики создали несуществующий в природе материал 13 Май 2015, 14:43
Российские физики создали материал, аналогов которому нет в природе, — хиральный метаматериал на основе тончайшей серебряной фольги. По структуре материал похож на решето, и он заставляет свет вести себя уникальным образом. Поговорив с авторами исследования и узнали, как получить то, чего до сих пор не было во Вселенной.
«Решето», обладающее хиральными свойствами. Изображение авторов исследования

Группа специалистов из Института кристаллографии имени Шубникова РАН и с физического факультета МГУ представила результаты своей работы в двух публикациях: на страницах Applied Physics Letters и Scientific Reports  Ученые превратили серебряную фольгу толщиной всего 300 нанометров в особым образом изготовленное «решето», проходя через которое, свет ведет себя весьма неожиданным образом. Подробности «Чердаку» рассказал один из авторов исследования Максим Горкунов, ведущий научный сотрудник Института кристаллографии.
— Что такое хиральность и как она связана со светом?

— Если вы возьмете объект и отразите его в зеркале (или, говоря по-научному, инвертируете его координаты, то есть поменяете их знак на противоположный), получится объект, который никогда не совпадет с исходным, как его ни крути. Это и есть хиральные объекты. Пример — ваша левая и правая руки. Хиральными являются многие молекулы, от аминокислот и сахаров до лекарств. Например, молекулы ибупрофена, противовоспалительного и болеутоляющего препарата, тоже бывают левые и правые. Одни из них помогают (левые — прим. «Чердака»), а другие бесполезны. И это еще хорошо, что просто бесполезны, — зачастую один хоральный изомер полезен, а другой опасен для здоровья.
«Левая» и «правая» аминокислоты не могут быть совмещены, так же как левая и правая руки. Изображение: NASA
Если вы поставите на стол два стакана с сахаром, «левым» и «правым», то химически отличить их очень сложно, а большинство физических свойств: цвет, вязкость, теплоемкость, плотность — будут и вовсе одинаковы. Однако если через раствор сахара пропустить луч света, то его плоскость поляризации поворачивается либо вправо, либо влево, в зависимости от того, какой это сахар. Такие оптически активные среды называют хоральными, но для заметного поворота плоскости поляризации нужен очень концентрированный раствор и довольно толстый его слой.
— Что такое «метаматериал» и как они связаны с хиральность?

— Обычно когда нам нужен материал с какими-то новыми оптическими свойствами, мы подбираем его состав. Но если кристалл уже выращен, то поменять его сложно. Можно разве что по-разному вырезать из него пластинки — это будет немного влиять на его свойства. Метаматериалы позволяют управлять светом совершенно иным способом. Чтобы получить такие материалы, нужны специальные методы. Берут, к примеру, тонкий слой металла на поверхности стекла и затем это тонкое напыление протравливают или прорезают, чтобы получить сложный узор. Именно структура поверхности влияет на оптические свойства материала, и мы решили сделать структуру, которая пропускала бы свет и была хоральной, то есть вращала плоскость поляризации.

— Как вы получали такой метаматериал?

— Для создания метаматериалов в лабораторных условиях оказывается очень полезным электронно-ионный микроскоп. Обычный электронный микроскоп просвечивает образцы пучком электронов, а электронно-ионный дополнительно создает тонкий пучок ионов с довольно высокой энергией — в 30 килоэлектронвольт. Этого достаточно для «вышивания» атомов из нашей фольги, так что пучком ионов можно вытравливать довольно сложные формы.

Для начала мы решили сделать «решето» в виде хирального, то есть зеркально несимметричного узора. Проще говоря, получили круглые отверстия, а в них нарезали резьбу с четырьмя заходами. Вышло не в точности, как на чертеже, но близко к нему. И первые же измерения показали, что у нас получилось: материал оказался экстремально хоральным.
Трехмерная модель хирального отверстия в фольге (слева) и электронная микрофотография полученного учеными «решета». Изображение авторов исследования

— Что значит «экстремально»?

— Плоскость поляризации в принципе нельзя повернуть больше, чем на 90 градусов, и наш материал достигает именно этого предельного показателя. Для разных длин волн эффект выражен неодинаково, но он заметен во всем видимом спектре.

Получив результат, мы задумались, как это работает. У нас все-таки научно-исследовательский институт, поэтому искать ответы на такие вопросы — наша прямая обязанность. Уточню, что в природе метаматериалов не существует, так что мы создаем то, чего никогда еще не было. 

Чтобы понять, что же происходит в нашем метаматериале, мы обратились к фундаментальным физическим законам, а именно к принципу причинности и принципу взаимности. Первый гласит, что у каждого физического события должна быть своя причина и эта причина находится в прошлом, а не в будущем, а второй говорит, что «если вы меня видите, то и я вас вижу», так как луч света проходит в обоих направлениях.

Комментарий «Чердака»: так называемые «односторонние» зеркала на самом деле просто полупрозрачные и пропускают свет что в одну сторону, что в другую. Просто там, где прячется наблюдатель, темно и потому видно даже проходящий через полупрозрачное зеркало слабый свет. А снаружи нельзя ничего увидеть, так как проходящие через стекло изнутри лучи теряются в отраженных. 

— Это кажется общими рассуждениями.

— Эти принципы просто формулируются, но за ними стоит весьма сложная математика, соотношения Крамерса-Кронига, например. Они связывают действительную и комплексную часть диэлектрической проницаемости, или, проще говоря, показатель преломления с показателем поглощения. У нас настолько тонкий слой фольги, что говорить об этих показателях не приходится, но мы нашли способ применить к нашему метаматериал соотношения Крамерса-Кронига.

Это позволило пересчитать одну кривую в другую: по зависимости угла поворота поляризации от длины волны получить зависимость кругового дихроизма от длины волны. Круговой дихроизм — это то, насколько сильнее оказывается прошедший через наш материал свет с круговой поляризацией в одну сторону по сравнению со светом, у которого круговая поляризация обратная. Мы провели такой перерасчет, сняли обе зависимости экспериментально и убедились, что наша теория верна, хотя мы и вывели ее из самых общих соображений.

Анализ выведенных соотношений также показал, что внутри нашей структуры должен возникать некий хиральный плазмонный резонанс (отвечающие за взаимодействия света с веществом колебания электронов внутри металла — прим. «Чердака»). Сейчас мы работаем над тем, чтобы выяснить, где именно он возникает и каковы его характеристики. С этой целью мы за счет проекта Российского научного фонда купили небольшой суперкомпьютер, и он как раз обсчитывает конфигурацию электромагнитного поля внутри метаматериал. 

— Последний вопрос будет банальным: зачем все это нужно?

— Во-первых, это просто интересно: в природе нет ничего подобного, все хиральные среды демонстрируют свои свойства лишь в толстом слое, а у нас он очень тонкий. Во-вторых, это могло бы пригодиться для выявления хиральных свойств веществ или даже отдельно взятых микроскопических объектов. К примеру, папилломавирус человека, тот самый, что вызывает бородавки, хиральный, он выглядит как перекрученный футбольный мяч. Мы могли бы помещать очень малые количества вещества в микроскопические лунки на поверхности нашей фольги и по повороту плоскости поляризации судить, является ли образец хоральным.
Модель папилломавируса человека. Регулярное расположение белков оболочки (капсида) создает оптическую активность. Изображение с сайта stanford.edu