Суперлинзы становятся все реальнее
|
Сразу две группы американских физиков сообщают о серьезном прогрессе в изготовлении суперлинз из материалов с отрицательным коэффициентом преломления. Такие линзы должны привести к прорыву в оптике и радиоэлектронике.
Поведение луча света зависит от среды, в которой он распространяется. Подбирая среды со специальными свойствами, физики уже научились замедлять и останавливать световой импульс, заставлять световой луч самопроизвольно сжиматься или вращаться вокруг другого светового луча. Наконец, не так давно были созданы искусственные среды с отрицательным показателем преломления, в которых свет преломлялся «в неправильную сторону» (см. рисунок). (Поведение света в таких средах впервые рассматривалось еще в 1960-е годы советским физиком В. Г. Веселаго; вводная статья К. Ю. Блиох, Ю. П. Блиох, Что такое левые среды и чем они интересны?, УФН, т. 174, апрель 2004.)
Явление отрицательного преломления открывает замечательные перспективы для развития технологий. В частности, одной из главных целей исследователей является создание суперлинзы, которая бы фокусировала свет в область размером меньше, чем длина волны света, т. е. лучше, чем это в принципе способны сделать обычные линзы. Такие суперлинзы должны привести к прорыву в радио- и оптоэлектронике, оптических устройствах хранения данных, материаловедении.
В последние год-два в этом направлении был достигнут заметный прогресс. Были сконструированы первые разновидности суперлинз для излучения в микроволновом диапазоне. Речь шла, правда, не о сферических, а о «плоскопараллельных» линзах, не обладающих единым фокусом (см. рисунок), или о цилиндрических линзах, способных фокусировать излучение только в одном из двух перпендикулярных направлений. Кроме того, от миллиметровых волн до оптического диапазона предстояла длинная дорога: ведь для создания суперлинзы для видимого света необходимо существенно (в тысячи раз) уменьшить размер всех параметров линзирующей структуры.
Стоит отметить, что уже полгода назад была опубликована работа N. Fang et al., Science, 308, 534 (22 April 2005) (см. популярную заметку Суперлинза: дифракционный предел преодолен), в которой говорилось о создании суперлинзы в оптическом диапазоне. Однако описанная там структура, хотя и позволяла преодолеть дифракционный предел, представляла собой не линзу, а скорее «сканер», поскольку работала лишь в «ближней зоне» и при непосредственном контакте с объектом (наноструктурой) и детектором. Никакого дистанционного фокусирования света там не подразумевалось.
И вот на днях были опубликованы две работы, сообщающие о новых прорывах в этой области исследований.
В статье физиков из Делавэрского университета (Ньюарк, США) Zh. Lu et al., Physical Review Letters, 95, 153901 (4 October 2005) впервые сообщается о создании и успешном испытании настоящей сферической суперлинзы (правда, по-прежнему для микроволнового излучения). Сложная пористая структура, напоминающая конструктор «Лего», была собрана из отдельных кубических блоков сложной формы. Излучение, распространяясь через такую структуру и многократно отражаясь от отдельных кубиков, как бы «запутывается» в ней, и в результате в ней появляются «разрешенные» и «запрещенные» зоны для излучения, точно так же, как у электронов в кристалле (такая конструкция называется фотонный кристалл).
Для микроволнового излучения определенной частоты фотонный кристалл, используемый в этом эксперименте, выглядел точь-в-точь как среда с отрицательным показателем преломления. Поместив такую пластинку перед источником излучения и просканировав поле позади нее, исследователи убедились, что она действительно фокусирует расходящееся излучение.
Этот впечатляющий эксперимент, демонстрирующий сверхвысокое разрешение линзы, заключался в следующем. Два точечных источника, расположенных на расстоянии 10 мм друг от друга, испускали микроволновое излучение с длиной волны 18 мм. В случае «обычной» линзы изображения от столь близких источников попросту слились бы в одно пятно. Новая же линза выдала изображение двух отдельных четко различимых пятнышек размером около 5 мм. Авторы работы выражают уверенность в том, что усовершенствование их методики в скором времени еще сильнее улучшит свойства суперлинз.
В другой недавней статье, S. Zhang et al., Physical Review Letters, 95137404 (23 September 2005), американские физики сообщают о создании нового метаматериала, обладающего отрицательным коэффициентом преломления в ближнем инфракрасном диапазоне. Отличие этой работы от предыдущих состоит в том, что типичный размер неоднородностей в этой структуре составляет сотни нанометров, что существенно меньше длины волны инфракрасного света. Из-за этого излучение «чувствует себя» не в решетке (фотонном кристалле), а в почти однородной среде, словно внутри материала совершенно нового типа (именно это и подразумевает слово «метаматериал»). Изюминкой этой работы является эффективная технология выращивания образца достаточно большого размера и микроскопической толщины.
К сожалению, изготовленный образец обладает слишком сильным поглощением света, что делает невозможным его практическое использование, но авторы намечают возможные пути исправления ситуации. Так или иначе, общая технология изготовления сверхтонких суперлинз в ближнем инфракрасном свете уже разработана, а отсюда уже рукой подать до видимого света. Не исключено, что через год-другой мы порадуем читателей сообщением о создании настоящей оптической суперлинзы.
Игорь Иванов
