Физики из Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), под руководством старшего научного сотрудника Михаила Рыбина, в сотрудничестве с коллегами из Австралии, изучили фазовый переход между периодическими структурами, особым образом взаимодействующими со светом — фотонными кристаллами и метаматериалами. Результаты их работы, опубликованные в журнале Nature Communications, пересказывает в пресс-релизе Университет ИТМО.
Фотонные кристаллы и метаматериалы представляют собой структуры, организованные по принципу кристаллов, то есть состоящие из расположенных периодически элементов. Однако элементы («метаатомы») в данном случае значительно крупнее, чем атомы и молекулы. Для физики особенно интересны оптические свойства таких материалов: фотоны в них могут двигаться по очень необычным траекториям. Природным фотонным кристаллом является, например, опал.
Оптические свойства таких фотонных структур определяются изменением коэффициента преломления света от одного элемента к другому, что зависят от двух основных параметров: показателя преломления каждого отдельного элемента и расстояния между ними (последний параметр называется «постоянная решетки»). Если показатель преломления элементов достаточно велик, мы имеем дело с метаматериалом, если же мал — то с фотонным кристаллом. В фотонных кристаллах может возникать такое оптическое явление, как брэгговская дифракция света, а в метаматериалах — локальные резонансы.
В российско-австралийском эксперименте в качестве модели использовалась решетка заполненных водой пластиковых цилиндров (диэлектриков), похожая на батарею центрального отопления. Изменяя температуру воды в диапазоне от 20°C до 90°C (и меняя таким образом показатель преломления) или изменяя расстояния между цилиндрами, физики осуществляли фазовые переходы между фотонными кристаллами и метаматериалами.
«В случае искусственных фотонных структур мы сами задаем требуемые свойства материала, выбирая взаимное расположение и показатель преломления структурных элементов — метаатомов. Это позволяет ввести понятие фазовой диаграммы в осях «геометрические размеры — показатель преломления». В нашем случае в периодической структуре появляется локальный отрицательный магнитный отклик — а это и есть признак метаматериала. То есть структура превращается из фотонного кристалла в метаматериал», — объяснил Рыбин.
Всего были изучены комбинации 100 различных показателей преломления света цилиндрами и 50 значений постоянной решетки, то есть 5000 разных фотонных структур. Все они были классифицированы, а на выходе ученые построили фазовую диаграмму перехода «фотонный кристалл — метаматериал». Результаты измерений, на основе которых была построена эта диаграмма, хорошо согласовывались с произведенными ранее теоретическими расчетами, что подтвердило правильность методики.
Таким образом, впервые удалось построить общую модель для фотонных кристаллов и метаматериалов, и подробно описать, как происходит фазовый переход. Это значительно упрощает создание в будущем новых фотонных материалов с заданными свойствами.
