«Цифровые метаматериалы» приближают появление плаща-невидимки

Концепция «цифровых метаматериалов» — простой способ создания метаматериалов с фантастическими оптическими свойствами, которые могут ускорить создание плаща-невидимки и суперлинз — говорится в статье, опубликованной в Nature Materials.
 
Метаматериалы искусственно создаются из микроскопических элементов — стекла, металла, пластика — упорядоченных в повторяющиеся последовательности. После «сборки» метаматериалы приобретают уникальные свойства — например, необычное поведение при взаимодействии со светом — которые редко наблюдаются у обычных материалов.
 
«Идея, лежащая в основе метаматериалов — имитировать взаимодействие атомов со светом, но уже с искусственными образованиями, размеры которых много меньше длины волны светового излучения, — рассказывает Борис Кулми (Boris Kuhlmey), адъюнкт-профессор фотоники и оптики из Сиднейского университета. — В этом случае, оптические свойства более не ограничиваются свойствами исходных материалов и могут подбираться практически произвольно».
 
На создание цифровых метаматериалов исследователей из Пенсильванского университета вдохновила двоичная система счисления, использующаяся в булевой алгебре.
 
Двоичная система используется многими цифровыми электронными устройствами, к примеру — компьютерами и смартфонами; вся информация, которая хранится и обрабатывается внутри них, выглядит как последовательность нулей и единиц, называемых «битами».
 
Концепция «цифровых метаматериалов» представляет собой упрощенный способ создания структурированных сред, который тем не менее позволяет получить сложные и разнообразные свойства: «Красота нового метода — в его простоте», — считает Мин Гу (Min Gu), профессор оптоэлектроники из Технологического университета Суинберна.
 
Посредством моделирования в двухмерном пространстве ученые изучили возможность создания метаматериалов, состоящих всего лишь из двух специально отобранных компонентов, которые так и назвали — «бит метаматериала» — по аналогии с битами, составляющими двоичный компьютерный код. Ну а упорядочивание битов метаматериалов это, по сути, «оцифровка» метаматериала.
 
В своей работе исследователи в качестве таких битов использовали наночастицы серебра и кварцевого стекла. Это материалы, которые абсолютно по-разному взаимодействуют со светом. Но после их «оцифровки» получившийся метаматериал получил собственные уникальные свойства, весьма отличающиеся от свойств исходных материалов.
 
Получение исходных материалов с целью достижения необычных свойств, присущих определенному метаматериалу, может быть затратным занятием — как с точки зрения времени, так и финансов. Этот новый подход позволяет исследователям получить необходимые оптические свойства, которые они ожидают от метаматериала, используя только два компонента. 
 
По словам Бориса Кулми, в основе этого исследования — новый взгляд на идею о том, что практически любые оптические свойства можно получить, используя два набора исходных материалов — металл и диэлектрик.
 
«Это чем-то похоже на переход звуковых волн из аналогового состояние в цифровое. Они проникли в новую область физики, — считает Тиффани Уолш (Tiffany Walsh), профессор бионанотехнологии из австралийского университета Дикина. — Им удалось взять диэлектрическую проницаемость — реакцию материала, когда он подвергается облучению — и оцифровать ее. Они превратили этот параметр в нечто легко управляемое».
 
Одно из ключевых применений метаматериалов основывается на их возможности управлять светом.
 
«Мы уже знаем, как манипулировать излучением (таким, как свет) — мы можем использовать линзы для фокусировки, мы можем использовать зеркала для отражения света и изменения его направления, — рассказывает Уолш. — Но метаматериалы могут больше — отклонять свет, рассеивать его, управлять необычными способами».
 
Используя собственный цифровой метод, исследователи смогли доказать возможность создания метаматериалов с очень низкой диэлектрической проницаемость, что редко встречается в природе. Управление подобными свойствами может проложить дорогу к новейшим технологическим применениям, например, поможет создать устройства, реализующие невидимость.
 
«Прибегая к различным изменениям в соотношении серебра и стекла, структурированных на наноуровне, в принципе, возможно изготовить плоские линзы и другие миниатюрные оптические элементы, — размышляет Борис Кумли. — Авторы показали в своем моделировании, что наноструктурированные сочетания стекла и серебра могут отклонять световой поток, а эта возможность лежит в основе технологий невидимости».
 
Адъюнкт-профессор также добавил, что создание предложенных структур может быть довольно сложным, но не невозможным: «Точность структурирования стекла и металла по толщине должна составлять несколько атомов. Но если воспринимать метаматериалы как бинарные структуры, это поможет, к примеру, разработать новейшие технологии нанопечатной литографии, а это уже реальная польза».