Pierwsza czapka-niewidka

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley po raz pierwszy w historii stworzyli trójwymiarowe materiały, które mają negatywny indeks refrakcji dla światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. Materiał zagina światło w odwrotnym do naturalnego kierunku. Odkrycie pozwoli na stworzenie lepszych technologii optycznych, układów scalonych dla wysoko wydajnych komputerów oraz na uczynienie przedmiotów niewidzialnymi dla ludzkiego oka.

Już wcześniej inne zespoły badawcze stworzyły metamateriały zapewniające niewidzialność, jednak dopiero odkrycie z Berkeley pozwala na zastosowanie jej w praktyce. Dotychczas bowiem metamateriały albo były dwuwymiarowymi warstwami atomów, których właściwościami nie mogliśmy manipulować, albo też, w przypadku materiałów 3D, wykazywały one ujemny indeks refrakcji tylko w przypadku niewidzialnego dla oka promieniowania mikrofalowego.
My stworzyliśmy trójwymiarowy metamateriał, który ma ujemny indeks refrakcji w paśmie widzialnym - mówi profesor Xiang Zhang, którego zespół opracował nowe materiały.

Ludzkie oko widzi światło o długości fali od 400 do 700 nanometrów. Tymczasem struktura metamateriału, by nadać mu ujemny indeks refrakcji, musi być mniejsza niż długość fali. Nic więc dziwnego, że łatwiej było uzyskać metamateriały zaginające fale o długości od 1 milimetra do 30 centymetrów.

Uczeni z UC Berkeley stworzyli nowy metamateriał łącząc srebro z fluorkiem magnezu. Następnie ponacinali go tak, by powstała matryca składająca się z miniaturowych igiełek. Zauważono zjawisko ujemnej refrakcji przy falach o długości 1500 nm (bliska podczerwień).

Jason Valentine wyjaśnia, że warstwy przewodzącego srebra i nieprzewodzącego fluorku magnezu działają jak obwód. Naprzemienne ułożenie obok siebie takich obwodów powoduje, że odpowiadają one na docierające do nich światło w kierunku przeciwnym do jego pola magnetycznego. Ponadto metamateriał absorbuje minimalną ilość światła. Innymi słowy, materiał składa się z silnie reagujących na światło nanoobwodów, które jednocześnie niemalże go nie pochłaniają.

Naturalne materiały nie reagują na pole magnetyczne światła, ale nasz metamateriał to robi. Po raz pierwszy stworzyliśmy więc materiał, o którym można powiedzieć, że wykazuje magnetyzm optyczny, co oznacza, że zarówno pole elektryczne jak i magnetyczne fali światła poruszają się w nim w odwrotnym kierunku - mówi Valentine.

Kolejny z metamateriałów został stworzony ze srebrnych nanowókien, które wzrastały na porowatym podłożu z tlenku glinu. Na nim zaobserwowany odwrotne odbicie dla fali długości 660 nanometrów. Po raz pierwszy więc zauważono go dla światła widzialnego.

Geometria pionowych nanowłókien, które są do siebie równoległe i jednakowo odległe jedno od drugiego, została zaprojektowana tak, by całość reagowała tylko na pole elektryczne fali świetlnej - mówi Jie Yao, kolejny z autorów badań. Z kolei pole magnetyczne niemal w ogóle nie reaguje z materiałem, dzięki czemu nie dochodzi do dużych strat energii. Co ciekawe, ten metamateriał zagina światło w przeciwną niż zwykle strone, ale, technicznie rzecz biorąc, nie można tutaj mówić o ujemnym indeksie refrakcji. Mamy z nim bowiem do czynienia wtedy, gdy wartości dla przenikalności elektrycznej i magnetycznej są ujemne.

Najwięcej korzyści dają metamateriały z ujemnym indeksem refrakcji, czyli takie, jak wspomniane na wstępie połączenie srebra i fluorku magnezu. To one pozwolą udoskonalić anteny, znacząco redukując interferencje czy też umożliwią odwrócenie efektu Dopplera. Jednak dla większości zastosowań przewidywanych dla metamateriałów, takich jak tworzenie z nich czujników optycznych czy powodowanie niewidzialności, oba wspomniane powyżej materiały będą przydatne.

Tym co czyni je tak użytecznymi, jest możliwość współpracy z szerokim spektrum długości fali optycznej przy minimalnej stracie energii - stwierdza Zhang.

Uczeni przypominają jednak, że wciąż czekają nas wieloletnie badania, zanim np. powstaną "płaszcze-niewidki". Oba nowe metamateriały są bowiem bardzo kruche i są metalami. Poważnym wyzwaniem będzie również opracowanie metod masowej produkcji takich materiałów.

metamateriał indeks refrakcji niewidzialność