Физики впервые продемонстрировали, что отрицательного преломления света можно добиться с помощью атомных решеток — без использования искусственно созданных метаматериалов. Это может революционизировать оптику и стелс-технологии.
Ученые давно пытались направлять свет так, будто он не подчиняется законам природы / © Lancaster University
Преломление света возникает, когда он меняет направление при переходе из одной среды в другую — например, из воздуха в воду или стекло. Из-за преломления света для нас объекты, помещенные в стакан воды, меняют вид и форму. Этот процесс имеет существенные ограничения: свет в основном взаимодействует с материей через электрическую составляющую поля, оставляя магнитную практически незадействованной.
Отрицательное преломление — контринтуитивный эффект, при котором свет в среде изгибается в направлении, противоположном ожидаемому. Оно интересует ученых из-за потенциала революционизировать оптику. Отрицательное преломление обещает стать основой «плащей-невидимок», стелс-технологий, суперлинзы — оптического устройства, способного сфокусировать свет в точку размером меньше, чем длина волны этого света.
Хотя ученые уже создавали отрицательное преломление в метаматериалах, они стремятся найти более простые способы получения отрицательной рефракции. Метаматериалы — сложные дорогие структуры, обычно состоящие из наноразмерных объектов. Их практическое применение на оптических частотах ограничено многочисленными дефектами производства и значительными потерями энергии света в сложной структуре поверхности таких материалов. Производство метаматериалов дорого и масштабируется с большими проблемами.
Международная группа ученых представила модель и сопровождающие ее теоретическое расчеты для нового метода управления взаимодействием атомов со светом. Высокоупорядоченные атомные решетки оказались способны обеспечить отрицательное преломление без использования метаматериалов.
Подход включал моделирование распространения света через атомные решетки с точностью до влияния отдельного атома. Исследование показало, что коллективный отклик атомов способен обеспечить отрицательное преломление света.
В случае использования атомной решетки атомы взаимодействуют друг с другом через световое поле, реагируют на свет коллективно, а не по отдельности. Коллективные взаимодействия порождают новые оптические свойства, такие как отрицательное преломление, которые невозможно предсказать, изучая отдельные атомы изолированно.
Создание отрицательного преломления стало возможным благодаря удержанию атомов в периодических оптических решетках. Оптические решетки похожи на «ячеистые структуры» из света — ученые фиксируют в них атомы стоячими световыми волнами. Точное расположение атомных кристаллов позволяет исследователям управлять взаимодействием атомов и света с беспрецедентной точностью.
Коллективное поведение атомов в оптических решетках, по расчетам ученых, сильно облегчает технологическую задачу создания отрицательного преломления. В отличие от метаматериалов, атомные системы представляют собой чистую среду без производственных дефектов. В таких системах свет взаимодействует с атомами контролируемо и точно, без потерь на поглощение, которые обычно превращают свет в тепло.
Научная работа опубликована в журнале Nature Communications. Пока это теоретические расчеты, так как экспериментов с реальными объектами исследовательская группа не проводила.
