И фотонные кристаллы, и метаматериалы — искусственные материалы, составленные из «частей» с разными свойствами. Они действительно напоминают кристалл, но элементарный «кирпичик» здесь гораздо больше, чем атом или молекула. Для физики такие материалы интересны прежде всего тем, что они позволяют очень эффективно управлять распространением света. Фотоны в них могут двигаться по самым необычным траекториям, которые определяются свойствами частей, составляющих периодическую структуру материала.
Ученые из России и Австралии исследовали, как меняются оптические свойства подобного материала, если плавно изменять его параметры. В качестве «модели» использовалась решётка диэлектрических цилиндров, наполненных горячей водой. При этом расположение цилиндров напоминало батарею топления.
В такой структуре могут существовать два типа резонансов: локальные резонансы Ми, связанные с каждым из цилиндров по отдельности, и протяженные брэгговские резонансы, которые возникают из-за интерференции света, рассеянного на разных цилиндрах. Метаматериалы обладают свойствами, вызванными локальными резонансами (Ми), в то время как свойства фотонных кристаллов связаны с брэгговскими резонансами. Если показатель преломления цилиндров достаточно велик, то структура относится к классу метаматериалов, а если мал — к фотонным кристаллам.
Показатель преломления, а также расстояние между соседними цилиндрами (научный термин — постоянная решетки) — два главных параметра, которые определяют фотонные свойства такого материала.
Исследователи провели расчеты для 100 различных значений показателя преломления цилиндров в диапазоне от 1 до 10 и для 50 значений постоянной решетки: от случая, когда цилиндры касались друг друга, до расстояния в 100 радиусов одного цилиндра.
В итоге было исследовано 5 000 разных фотонных структур. Каждая из них получила своё «место» в классификации и, что наиболее важно, в результате обработки массива данных была построена фазовая диаграмма перехода «фотонный кристалл — метаматериал».
«Обычно, когда говорят о фазовом переходе — резком изменении свойств, — представляют превращение твердого предмета в жидкость или, например, появление электрических свойств при изменении температуры или давления. Это связано с тем, что температура и давление определяют строение материала на атомарном уровне, поэтому мы влияем на него в некотором смысле опосредованно, меняя параметры среды», — говорит Михаил Рыбин, первый автор статьи, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.
«В случае искусственных фотонных структур мы сами задаем требуемые свойства материала, выбирая взаимное расположение и показатель преломления структурных элементов — метаатомов. Это позволяет ввести понятие фазовой диаграммы в осях „геометрические размеры — показатель преломления“. В нашем случае в периодической структуре появляется локальный отрицательный магнитный отклик — а это и есть признак метаматериала. То есть структура превращается из фотонного кристалла в метаматериал», — добавляет Рыбин.
Для проверки теоретических расчетов ученые собрали метакристалл из пластиковых трубок, заполненных разогретой водой (эта конструкция очень напоминает знакомую всем батарею центрального отопления). Измерения происходили в микроволновом диапазоне. В ходе экспериментов удалось произвести фазовый переход двумя способами. Первый связан с изменением температуры воды в метакристалле с 90 градусов до 20, при котором меняется показатель преломления воды — «метаатома» этого искусственного кристалла. Второй способ состоял в изменении расстояний между трубками с водой, т. е. с уменьшением метакристалла. В этом случае, кстати, можно подобрать аналогию с классическими фазовыми переходами: уменьшение объема вещества обычно связано с увеличением давления.
Результаты измерений очень хорошо соответствовали теоретическим предсказаниям для построения фазовой диаграммы. Это стало, по сути, первой попыткой представить фотонные кристаллы и метаматериалы в рамках единой системы с некоторым набором параметров. Это очень важно, поскольку теперь можно, не проводя специальные расчёты, приблизительно предсказывать, из каких материалов следует изготавливать структурные элементы, а также как плотно их следует разместить, чтобы получился метаматериал.
Статья:
«Phase diagram for the transition from photonic crystals to dielectric metamaterials,» Mikhail V. Rybin, Dmitry S. Filonov, Kirill B. Samusev, Pavel A. Belov, Yuri S. Kivshar, Mikhail F. Limonov. Nature Communications, Dec. 02, 2015
http://www.nature.com/ncomms/2015/151 202/ncomms10102/full/ncomms10102.html
Дмитрий Мальков,
Отдел по научным коммуникациям Университета ИТМО
