Открыты сверхпрозрачные отверстия
Испанские физики обнаружили, что микроскопическая щель в металлической пластинке способна «протискивать» через себя во много раз больше света, чем падает непосредственно на нее. Такие сверхпрозрачные отверстия могут найти множество применений.
|
Казалось бы, что может быть прозрачнее абсолютно пустого — безо всяких стекол — отверстия? Весь свет, падающий непосредственно на отверстие, проходит сквозь него безо всякого поглощения.
Впрочем, при уменьшении размера отверстия столь простые законы геометрической оптики нарушаются из-за дифракции, искажающей прямолинейное распространение света. Дифракция приводит, в частности, к ухудшению прозрачности пустого отверстия. Коэффициент прозрачности — мощность прошедшего насквозь излучения, деленная на мощность той части светового луча, которая падает непосредственно на отверстие в его геометрических пределах — становится меньше единицы. Если же размер «дырочки» много меньше длины световой волны (а это десятые доли микрона), то свет в такое отверстие практически не пролезает: уж слишком «скованно» световое поле будет «себя чувствовать» непосредственно внутри отверстия.
В начале 2000-х годов выяснилось, что для отверстий с размерами порядка длины волны картина гораздо интереснее. При определенном соотношении между длиной волны и размером круглого или квадратного отверстия наступает резонанс прозрачности: коэффициент пропускания слегка возрастает и даже превышает единицу. Получается, что отверстие своими краями как бы захватывает и пропускает насквозь больше света, чем падает непосредственно на него. До сих пор такое усиление составляло лишь десятки процентов, однако уже высказывалась идея, что для отверстий более сложной формы усиление может оказаться более существенным.
В недавней статье испанских физиков F. J. Garcia-Vidal, Physical Review Letters, 95, 103901 (31 August 2005) (статья также доступна как cond-mat/0503709) сообщаются поразительные результаты теоретического исследования прозрачности маленьких отверстий прямоугольной формы в идеально проводящей металлической пластинке.
Вычисления показывают, что резонанс прозрачности становится гораздо более выраженным для сильно вытянутых прямоугольников, т. е. для щелей. Щель как бы захватывает и «переправляет» на другую сторону пластинки во много раз больше света, чем падает непосредственно на нее. Обнаружилось простое соотношение: если, например, длина щели превышает ее ширину в 10 раз, то коэффициент пропускания примерно равен 10. Однако и это не предел. Если внутренность щели не пуста, а заполнена некоторым прозрачным веществом с большой диэлектрической проницаемостью, то «прозрачность» отверстия возрастает еще сильнее.
Испанцы отметили, что резонанс прозрачности наблюдается только для определенной поляризации падающего света и практически не зависит от угла его падения. Кроме того, обнаружилось, что при резонансе прозрачности очень сильно возрастает электрическое поле внутри щели. Это и неудивительно: в этом случае слишком много света пытается одновременно пройти сквозь щель.
Можно легко представить себе возможные научные и практические применения этой находки. Проделав в металлической пластинке много мелких и тонких щелей, можно добиться высокой прозрачности всей пластинки в целом без потери ее прочности. Далее, поскольку резонанс прозрачности наступает только для определенной длины волны и определенной поляризации, такую пластинку можно использовать как высокоэффективный поляризационный и спектральный фильтр. Еще одно применение заключается в использовании сильного электрического поля внутри щели. Природа самопроизвольно, безо всяких усилий человека, многократно концентрирует энергию электрического поля, и грех этим не воспользоваться. Сверхсильные поля таким способом, по-видимому, получить не удастся, но, может быть, на основании этого механизма можно сконструировать детектор сверхслабых полей?
В любом случае, дальнейшие исследования в этом направлении кажутся весьма перспективными.
Игорь Иванов
