Nanotechnologiczna „czapka niewidka”

Metamateriały o ujemnym współczynniku załamania światła - dla osób, które nie pamiętają już dobrze szkolnych lekcji fizyki, nie brzmi to ciekawie. Ale wystarczy zrozumieć, co się za tym naukowym określeniem kryje, żeby poczuć się jak w bajce o czapce niewidce.

Kiedy patrzymy na łyżeczkę włożoną do szklanki z herbatą, wydaje się ona złamana. Kiedy tę łyżeczkę wrzucimy do garnka z wodą, będzie nam się wydawało, że leży ona wyżej, niż faktycznie. To właśnie jest zjawisko załamania światła - światło (ale także każda fala elektromagnetyczna i każda fala w ogóle: na przykład dźwiękowa) zmienia swój kierunek podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego, na przykład z powietrza do wody i na odwrót. O tym jak bardzo łyżeczka będzie dla nas „wygięta" lub jak wysoko podnosi się dno naczynia z wodą, mówi nam współczynnik załamania dla danego materiału. Współczynnik równy jeden oznacza, że światło nie załamuje się wcale. Im jest większy, tym załamanie większe. Może on być, choć to zdarza się rzadko, mniejszy od jedności - wówczas łyżeczka „wygnie się" w drugą stronę a dno będzie niżej, zamiast wyżej.

To właśnie temu zjawisku zawdzięczamy działanie soczewek a więc także lunet, teleskopów, obiektywów fotograficznych, itd. Materiały o współczynniku załamania mniejszym niż jeden są szczególnie przydatne w takich zastosowaniach i zawsze chętnie poszukuje się nowych.

Stosunkowo niedawno wymyślono teoretycznie „metamateriały" - materiały, których współczynnik załamania światła jest mniejszy od zera. Wcześniej nie pomyślano by nawet, że coś takiego jest możliwe, bo jak by to działało? Łyżeczka zanurzona w takim metamateriale wydawałaby się wystawać z wody a dno wydawałoby się wyżej niż powierzchnia płynu. A jednak coś takiego jest możliwe!

Cuda - niewidy

Sama możliwość istnienia takich „cudownych" materiałów jest ekscytująca. Nowe rodzaje znacznie doskonalszych przyrządów optycznych: mikroskopy, teleskopy, lepsze obiektywy fotograficzne, komputery optyczne. Możliwe teoretycznie jest skonstruowanie materiału, który będzie dawał niewidzialność przedmiotom, wokół których się go owinie.

Znając teoretycznie strukturę, jaka dawałaby te efekty, zaczęto prace. Na początku udało się stworzyć taki metamateriał działający jedynie dla promieniowania mikrofalowego. Było to w 2004 roku. To był dowód, że pomysł nie jest wyssany z palca. Z uzyskaniem tego samego dla światła widzialnego było trudniej. Powód jest prosty: im mniejsza długość fali, tym mniejsze muszą być elementy metamateriału. Dla mikrofal łatwo było stworzyć strukturę metalowych elementów o rozmiarze około centymetra. Dla światła widzialnego muszą one mieć poniżej 250 nanometrów...

Odpowiedź jest oczywista: nanotechnologia. I rzeczywiście, już w 2005 roku powstały pierwsze metamateriały optyczne. Niestety, pochłaniały one tak dużą część światła, że nie nadawały się do żadnego praktycznego zastosowania. Były jedynie naukową ciekawostką.

Trwające wiele lat prace na Uniwersytecie Purdue w amerykańskim stanie Indiana przyniosły wreszcie efekty. Naukowcy pracujący w uniwersyteckim Birck Nanotechnology Center osiągnęli przełom: metamateriał optyczny, który nie tylko przepuszcza większość padającego światła, ale może nawet służyć jako optyczny wzmacniacz.

Opracowany materiał ma postać cienkiej, perforowanej błony. Składa się ona z warstwy tlenku aluminium pomiędzy dwiema warstwami srebra a całość ma strukturę sieci z otworami o średnicy około 100 nanometrów. Część tlenku aluminium jest wytrawiona i zastąpiona „czynnikiem wzmacniającym" w postaci kolorowego barwnika wymieszanego z klejem epoksydowym. To dzięki niemu osiągnięto efekt wzmacniania światła.

Problemem było nie tylko znalezienie odpowiedniego materiału barwnikowego, ale również usunięcie jak największej części tlenkowo-aluminiowej błony bez zniszczenia jej struktury. Nowym pomysłem jest też umieszczenie tej warstwy wewnątrz błony - dzięki temu ma ona pięćdziesięciokrotnie lepsze właściwości, niż umieszczona na powierzchni, jak to robili inni naukowcy.

Zmniejszenie współczynnika pochłaniania światła do milionowej części poprzedniej wartości i możliwość wzmacniania światła to przełom na drodze do praktycznych zastosowań. A tych będzie wiele: płaskie supersoczewki, mikroskopy optyczne pozwalające dostrzegać nici DNA, „koncentratory światła" w panelach słonecznych, nowe rodzaje czujników, układy przetwarzające dane optycznie, zamiast elektrycznie (czyli optyczne komputery), wreszcie materiały tak zakrzywiające światło, że stają się niewidoczne.

Poza oczywistym doskonaleniem wynalazku i pracą nad przemysłowym wytwarzaniem - na co pewnie jeszcze poczekamy - autorzy studium planują zastąpić źródło światła źródłem prądu, analogicznym do półprzewodnikowych laserów.

Głównymi autorami sukcesu są Hsiao-Kuan Yuan - doktorant Purdue, obecnie pracownik firmy Intel oraz Shumin Xiao, który kontynuuje prace. Współautorami są ponadto Vladimir P. Drachev, Alexander V. Kildishev, Xingjie Ni, Uday K. Chettiar oraz Vladimir M. Shalaev.

ujemny współczynnik załamania indeks refrakcji metamateriały optyczne Hsiao-Kuan Yuan Shumin Xiao Purdue University