Узор-усилитель извлёк свет из спрятанного красителя
Метаматериалы сулят прогресс в целом последовательности областей. Но им характерен недочёт: они безтолку поглощают львиную долю света, в особенности в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах, а потому непригодны для практических устройств.
Печальное положение дел удалось поменять лишь сейчас, наделив означенные материалы активностью.
Владимир его коллеги и Шалаев из университета Пардью продемонстрировали в работе метаматериал с отрицательным показателем преломления, в первый раз показавший эффект усиления проходящего через него света.
С целью достижения данной цели физикам было нужно «испечь» настоящий пирог: слой оксида алюминия, зажатый с двух сторон слоями серебра. Любой из трёх слоёв был по 50 нанометров толщиной.
сотрудники и Шалаев его лаборатории уже пара лет занимаются расчётами и экспериментами в области нелинейной оптики, нанофотоники и оптических метаматериалов.Отечественным читателям его коллеги и Владимир известны по теоретическому обоснованию «метаматериальной» чёрной дыры для света, которая после этого была создана второй группой (фото Purdue University).
В таком сандвиче учёные проделали отверстия с коническими стенками. Диаметр «пробоин» составлял порядка 100 нанометров, а шли они с шагом 280 нм.
Так оказался «простой» метаматериал, но это был только первый этап процесса изготовления.
Потом Владимир со товарищи совершили травление большей части оксида алюминия, содержащегося между серебряными пластинами, покинув лишь мало материала, дабы не допустить схлопывание собственной ажурной сетки.
Сперва воздушное пространство заполнил освободившееся пространство, но позже исследователи закачали в него эпоксидную смолу, смешанную с флуоресцентным красителем родамин 800 (Rh800).
Данный процесс заполнения "настойчиво попросил" виртуозной ловкости: физикам нужно было взять ровный и узкий слой красителя в метаматериала, но не больший, чем необходимо для результата усиления, в противном случае вся структура утратила бы собственное самое полезное свойство — отрицательный показатель преломления.
Схема построения активного метаматериала. Зелёным цветом продемонстрирована временная подложка, серым – серебро, тёмно-синим – оксид алюминия (главной и пара дополнительных внешних слоёв, более узких), голубым – воздушное пространство, красным – краситель (иллюстрация Shumin Xiao et al./Nature).
В случае если молекулы Rh800 осветить импульсом света с длиной волны 690 нанометров, они будут излучать свет с длиной волны около 730 светло синий в течение нескольких наносекунд. В случае если же сейчас на поверхность материала попадёт зондирующий импульс с длиной волны в районе 730 нм, он окажется усилен за счёт добавки от красителя.
Причём стимулированный луч будет повторять входной.
Другие группы уже пробовали приобретать активные метаматериалы – путём нанесения слоя флуоресцентного вещества поверх их структуры. Но, по словам Шалаева, таковой подход не разрешает добиться усиления, достаточного, дабы преодолеть утраты излучения.
Закачка наполнителя в промежуток между двумя узкими слоями металла обеспечила размещение молекул красителя в районе, где поля от проходящих волн посильнее, так что деятельный «ингредиент пирога» смог функционировать в 50 раз действеннее, чем раньше.
В этом несколько Владимира и убедилась, направив на взятую пластинку двухпикосекундный импульс накачки (на рисунке под заголовком он продемонстрирован жёлтым), а после этого, по окончании 50-пикосекундной паузы, двухпикосекундный зондирующий импульс (в том месте же — красный) в диапазоне длин волн 722-738 нм.
Тщательное измерение прошедшего через устройство и отражённого света продемонстрировало, что их сумма при подачи луча накачки превосходит интенсивность падающего зондирующего пучка. Кроме этого результата на длине волны 737 нм отрицательный коэффициент преломления увеличился при включении усиления с -0,66 до -1,017.
a – исходная структура решётки, b – пластина по окончании наполнения оксида и удаления алюминия красителем, c – по окончании финальной обработки, d – упрощённая схема установки для измерения падающего и проходящего пучков.Подробности опыта раскрывают статья в Nature и пресс-релиз университета Пардью (иллюстрация Shumin Xiao et al./Nature).
Одно из серьёзных особенностей новой структуры, как вы уже додумались, – работа в видимом световом диапазоне, что открывает заманчивые (не смотря на то, что и отдалённые) возможности для построения экзотических совокупностей.
«Это открытие имеет фундаментальное значение для всей области метаматериалов», — заявил Шалаев. Вправду, из них возможно строить, например, супер- и гиперлинзы, обходящие дифракционный предел и разрешающие приобретать сфокусированные изображения с подробностями, меньшими по размеру, чем протяженность волны применяемого света.
А это — расширение границ оптической микроскопии.
Второе любопытное использование метаматериалов — разнообразные испытания с плащами-невидимками. До тех пор пока такие устройства трудятся в ограниченном диапазоне волн и становятся невидимыми с ограниченного ракурса, так что до построения сколь-нибудь практичных совокупностей оптического камуфляжа тут ещё весьма и весьма на большом растоянии.
Но завораживает сама возможность препарировать проходящие лучи света так, дабы у наблюдателя создавалась иллюзия отсутствия объекта либо трансформации его размеров, либо нахождения его не в том месте, где он имеется в действительности. Представляется, что ограды и подобные покрытия отыщут работу не только на армейском поприще.
В отыскивании подходящих для тех либо иных задач метаматериалов учёные испробовали различные комбинации проводников, полупроводников и диэлектриков, из которых на микро- и наноуровне строили регулярные слоёные пироги и плоские узоры.Такие структуры, с характерными размерами элементов меньше длины волны падающего света, разрешают проделывать с излучением интересные вещи. Одна из последних новинок в данной области – жидкий метаматериал (иллюстрации Purdue University; Zhang et al.; Blaikie, et al.; Shvets et al.; Kildishev, Narimanov; Decher, Klein, Wegener, Linden).
Третье же направление «утилизации» метаматериалов — оптоволоконная связь и оптические компьютеры. Тут устройства с аномальными особенностями имели возможность бы привести к появлению более быстродействующих совокупностей.
Кстати, в будущем команда Владимира попытается создать деятельный метаматериал, снабжаемый энергией не за счёт подсветки, а благодаря электрическому источнику. В случае если таковой трюк удастся провернуть, это сделает эти конструкции более пригодными для интеграции в электронные совокупности.
Соответственно, у лабораторных опытов Шалаева имеется все шансы превратиться в промышленную разработку.
