Недавно созданный материал с наноархитектурой обладает свойством, которое ранее было возможно только теоретически: он может преломлять свет назад, независимо от угла, под которым свет падает на материал.

Это свойство известно как отрицательное преломление, и оно означает, что показатель преломления — скорость, с которой свет может проходить через данный материал, — отрицателен в части электромагнитного спектра под любым углом.

Преломление — обычное свойство материалов; подумайте о том, как соломинка в стакане с водой кажется сдвинутой в сторону, или о том, как линзы в очках фокусируют свет. Но отрицательное преломление заключается не только в смещении света на несколько градусов в одну сторону. Скорее, свет направляется под углом, полностью противоположным тому, под которым он попал в материал. Этого не наблюдалось в природе, но, начиная с 1960-х годов, предполагалось, что оно происходит в так называемых искусственно периодических материалах, то есть в материалах, созданных так, чтобы иметь определенный структурный паттерн. Только теперь процессы изготовления догнали теорию, чтобы сделать отрицательное преломление реальностью.

«Отрицательное преломление имеет решающее значение для будущего нанофотоники, которая стремится понять и управлять поведением света, когда он взаимодействует с материалами или твердыми структурами в наименьших возможных масштабах», — говорит Джулия Р. Грир, профессор Рубена Ф. и Донны Меттлер из Калифорнийского технологического института. Материаловедения, механики и медицинской инженерии, а также один из старших авторов статьи, описывающей новый материал. Статья была опубликована в Nano Letters 21 октября.

Новый материал приобретает свои необычные свойства благодаря сочетанию организации на нано- и микроуровне и добавлению покрытия из тонкой пленки металлического германия посредством трудоемкого и трудоемкого процесса. Грир является пионером в создании таких материалов с наноархитектурой или материалов, структура которых спроектирована и организована в нанометровом масштабе и которые, следовательно, обладают необычными, часто удивительными свойствами, например, исключительно легкая керамика, которая возвращается к своей первоначальной форме. как губка после сжатия.

Под электронным микроскопом структура нового материала напоминает решетку из полых кубов. Каждый куб настолько мал, что ширина лучей, составляющих структуру куба, в 100 раз меньше ширины человеческого волоса. Решетка была построена из полимерного материала, с которым относительно легко работать в 3D-печати, а затем покрыта металлическим германием.

«Сочетание структуры и покрытия придает решетке это необычное свойство», — говорит Райан Нг (MS ’16, Ph.D. ’20), автор-корреспондент статьи Nano Letters. Нг провел это исследование, будучи аспирантом в лаборатории Грира, а сейчас является научным сотрудником Каталонского института нанонауки и нанотехнологий в Испании. Исследовательская группа сосредоточилась на кубической решетчатой ​​структуре и материале как на правильном сочетании с помощью кропотливого процесса компьютерного моделирования (и зная, что герань является материалом с высоким индексом).

Чтобы получить равномерное покрытие полимера металлом в таком масштабе, исследовательской группе потребовалось разработать совершенно новый метод. В конце концов, Нг, Грир и их коллеги использовали метод распыления, при котором диск германия бомбардировали высокоэнергетическими ионами, которые выбрасывали атомы германия с диска на поверхность полимерной решетки. «Нелегко получить ровное покрытие, — говорит Нг. «Потребовалось много времени и много усилий, чтобы оптимизировать этот процесс».

У этой технологии есть потенциальные приложения для телекоммуникаций, медицинской визуализации, маскировки радаров и вычислений.

В 1965 году выпускник Калифорнийского технологического института Гордон Мур (доктор философии ’54), пожизненный член Попечительского совета Калифорнийского технологического института, предсказал, что интегральные схемы будут становиться вдвое сложнее и вдвое дороже каждые два года. Однако из-за фундаментальных ограничений на рассеиваемую мощность и плотность транзисторов, допускаемых нынешними кремниевыми полупроводниками, масштабирование, предсказанное законом Мура, должно скоро закончиться. «Мы приближаемся к концу нашей способности следовать закону Мура, делая электронные транзисторы настолько маленькими, насколько это возможно», — говорит Нг. Текущая работа — это шаг к демонстрации оптических свойств, которые потребуются для включения трехмерных фотонных схем. Поскольку свет движется намного быстрее, чем электроны, трехмерные фотонные схемы теоретически должны быть намного быстрее, чем традиционные.

Статья Nano Letters называется «Отображение дисперсии в трехмерных фотонно-кристаллических решетках ядро-оболочка, способных к отрицательному преломлению в среднем инфракрасном диапазоне».