Ученые из Университета ИТМО вместе с коллегами из зарубежных исследовательских центров совершили значимый шаг на пути к созданию невидимых метаматериалов нового поколения. Они смогли показать, как наночастицы могут рассеивать свет не стандартно вперед или назад, а преимущественно вбок. Такое открытие открывает широкие перспективы для разработки уникальных сенсоров, инновационных голографических устройств и даже оптических "плащей-невидимок", что вызывает огромный интерес у международного научного сообщества и специалистов в области оптики.
Преодоление классических ограничений оптики
Классические законы оптики объясняют поведение света при взаимодействии с макрообъектами: например, линзами, зеркалами или поверхности человеческого тела. Однако если речь идет о наноразмерных частицах — объектах, величина которых значительно меньше длины волны самого света — появляется совершенно иная картина. Характер взаимодействия в таких масштабах напрямую зависит от свойств самих фотонов и параметров среды, что дает ученым необычные и ранее неизвестные возможности управления световым потоком.
Именно по этой причине небо кажется нам голубым, а закаты и рассветы окрашиваются в удивительные красные и оранжевые оттенки. Эти эффекты активно используются современными инженерами при создании прогрессивных оптических метаматериалов, а также в наиболее чувствительных климатических спутниках и сложных научных приборах.
Эффекты Керкера и анти-Керкера: новая ступень в манипуляции светом
Одно из наиболее интересных свойств рассеяния света было выявлено еще в прошлом веке выдающимся американским физиком Милтоном Керкером. Исследуя, как свет проходит сквозь аэрозольные частицы, он заметил необычный эффект: в некоторых условиях свет шел не во всех направлениях, а строго вперед — по линии, совпадающей с направлением источника. Это явление получило название эффекта Керкера и стало фундаментом для новых исследований в области метаматериалов.
Наряду с этим существует и противоположное явление, известное как эффект анти-Керкера, при котором свет отражается назад. На протяжении десятилетий ученые пытались объединить эти эффекты, чтобы получить максимальный контроль над светом в микро- и наноразмерных масштабах. Это имеет огромную важность для создания миниатюрных оптических устройств, таких как сенсоры, голограммы и, конечно, технологические "плащи-невидимки".
Российско-австралийские достижения в области наночастиц
Около года назад исследовательская группа из Австралии смогла реализовать трехслойные наночастицы, напоминающие по структуре хорошо знакомую всем луковицу. Эти наночастицы были способны одновременно демонстрировать эффекты Керкера и анти-Керкера — и благодаря этому, рассеивали свет преимущественно вбок, пока стандартные направления (вперед и назад) оставались почти неподвижными.
Такой подход вдохновил российских ученых и их зарубежных единомышленников задуматься: возможно ли реализовать аналогичное рассеяние света при помощи ничего менее сложных "луковичных" конструкций, а гораздо более простых наночастиц? Проведя комплексные теоретические расчеты на основе уравнений Максвелла и компьютерных симуляций, исследователи создали опытные образцы — миниатюрные кремниевые кубики с размером около 250 нанометров. Эксперименты с микроволновым излучением показали: как одиночные частицы, так и листовые структуры из них действительно эффективно переотправляли свет вбок, практически не теряя его вперед или назад.
Перспективы практического применения
Эксперименты с новыми наночастицами открывают дорогу к созданию материала, который с точки зрения видимого света становится практически "невидимым". Это возможно за счет уникального взаимодействия внешних электромагнитных полей, которые практически нейтрализуют друг друга. В результате материал перестает отражать или пропускать световые волны привычным образом.
Данная технология позволит разрабатывать микроскопические оптические решётки и элементы, способные функционировать в качестве высокочувствительных сенсоров, элементов для нелинейных устройств и многофункциональных голограмм. Ожидается, что подобные решения дадут толчок к появлению принципиально новых гаджетов и научных приборов, которые невозможно было создать на основе классических материалов.
Мнение эксперта: Александр Шалин о научном прорыве
Как отмечает один из авторов исследования, Александр Шалин из Университета ИТМО, ранее основной сложностью в этой области была нехватка фундаментальных знаний и точного описания параметров, необходимых для получения желаемого оптического эффекта: «Мы впервые смогли совместить эффекты Керкера и анти-Керкера, выйдя на иной уровень управления светом; совместная работа команды позволила раскрыть секрет уникального оптического отклика и задать мощный импульс для дальнейших исследований».
Благодаря тесному сотрудничеству с зарубежными учеными, команде удалось не только описать ранее неизвестные свойства, но и экспериментально подтвердить результаты на уровне мировых стандартов. Уже в ближайшем будущем ожидается публикация итоговых данных в ряде крупнейших научных изданий планеты.
Будущее нанофотоники: инновации из России в мировом масштабе
Исследования Университета ИТМО, возглавляемые Александром Шалиным, уже сейчас находят отклик среди ведущих специалистов по всему миру, а вскоре могут стать базой для создания целых классов новых устройств, использующих управляемое боковое рассеяние света. Эти наработки открыли путь не только для развития технологии «невидимости», но и для совершенствования голографических систем, продвинутых сенсоров и новых методов оптической обработки информации.
Вклад российских ученых в освоение свойств света на наномасштабе — пример того, как смелые идеи и межнациональное сотрудничество способны привести к действительно революционным достижениям, способным изменить нашу повседневность и научный прогресс в целом.
Изображение логотипа с сайта Университета ИТМО
Источник: scientificrussia.ru
