Физики из МФТИ предсказали существование прозрачных композитных сред с необычными оптическими свойствами. Проведя расчеты на видеокартах, ученые смоделировали упорядоченную объемную структуру из двух близких по параметрам диэлектриков и обнаружили, что ее оптические свойства отличаются и от известных природных кристаллов, и от активно исследуемых искусственных периодических композитов. Статья об этом представлена в журнале Optics Express.
Физики предсказали возможность существования композитных кристаллических структур нового типа, таких, в которых двулучепреломление происходит совершенно иначе, чем в естественных кристаллах. Эффект двулучепреломления означает, что если через некую среду пропускать свет, то исходный луч разделяется на два.
Необычные анизотропные свойства прозрачных кристаллических композитных сред. Пресс-служба МФТИ
Разделение одного луча на два в двулучепреломляющих кристаллах с одной стороны обусловлено зависимостью свойств кристалла от направления распространения волн (анизотропией), а с другой — наличием у световых волн поляризации. Поляризацией называют направление колебаний электромагнитного поля в волне, и обычный свет (не от лазера, а, к примеру, от солнца или лампы) представляет собой хаотическую смесь волн с разной поляризацией.
В теории, описывающей двулучепреломление, оказываются важными понятия оптической оси и изочастотной поверхности. Первый термин обозначает направление, в котором эффект разделения лучей с разной поляризацией исчезает. Второе понятие иллюстрирует зависимость скорости света в материале от выбранного направления. Эта поверхность изображается в таких координатах, что длина вектора, проведенного от начала координат до выбранной точки поверхности, показывает то, с какой скоростью свет движется в направлении, задаваемом этим вектором. Если кристалл изотропен, то изочастотная поверхность является просто сферой: свет с любой поляризацией в любую сторону распространяется с одной и той же скоростью. Радиус этой сферы равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в кристалле — величине, называемой показателем преломления (в прозрачных материалах он всегда больше единицы).
Помимо природных кристаллов, таких как двулучепреломляющий исландский шпат, в распоряжении ученых благодаря успехам в технологиях микро- и наноструктурирования в последние два десятилетия оказались искусственные среды с кристаллической структурой. Это так называемые метаматериалы и фотонные кристаллы. Упорядоченные наборы из атомов и молекул в таких искусственных структурах заменяют регулярный геометрический узор, который можно сравнить с повторяющимся вырезанным на деревянной шкатулке орнаментом, только в трех измерениях и с масштабом от десятков нанометров до сотен микрометров.
Искусственные упорядоченные структуры — фотонные кристаллы и метаматериалы — могут проявлять очень необычные свойства, которые разительно отличаются от свойств природных кристаллов. Так, периодическое структурирование на микро- и наномасштабах позволяет обойти связанные с дифракцией ограничения на разрешающую способность микроскопов и сделать плоские линзы. Метаматериалы могут иметь отрицательный коэффициент преломления и характеризоваться очень сильной оптической анизотропией.
В новой статье как раз и был теоретически изучен промежуточный случай кристаллов, которые уже нельзя описать в рамках классической кристаллографии, но которые еще и не являются полноценными метаматериалами или фотонными кристаллами.
Используя разработанный ими теоретический аппарат и проведя расчеты на игровых видеокартах NVidia, авторы нового исследования смоделировали композитные диэлектрики, периодически структурированные в трех измерениях. Исследователи из МФТИ рассмотрели сочетание веществ с низкими и не сильно отличающимися друг от друга показателями преломления и малым периодом порядка одной десятой длины волны света в вакууме.
При малых значениях периодов изученных композитов их оптические свойства действительно подобны свойствам природных кристаллов: композиты с кубической решеткой практически изотропны, а композиты, например, с тетрагональной и орторомбической решетками проявляют одноосные и двуосные свойства. Но авторы работы показали, что, если увеличивать период, оставаясь при этом в рамках границ применимости эффективного описания композита как некоторой объемной среды, можно добиться появления необычных эффектов.
Во-первых, в композитах возникают новые оптические оси (до десяти осей в орторомбическом кристалле). Причем если в классической теории двулучепреломления направления оптических осей фиксированы для конкретного вещества, то направления некоторых из новых обнаруженных осей оказываются зависимыми от соотношения длины волны к периоду композитной диэлектрической структуры. Во-вторых, в направлениях, в которых при очень малых периодах наблюдается максимальное различие скоростей распространения волн двух разных поляризаций (наибольшее расстояние между двумя частями изочастотной поверхности), при достаточно больших периодах это различие может практически исчезнуть, то есть появится оптическая ось.
О практических применениях обнаруженных свойств можно будет судить лишь после экспериментальной проверки теоретических предсказаний.
