Fysiker från MIPT har förutsagt förekomsten av transparenta kompositmedia med ovanliga optiska egenskaper. Med hjälp av grafikkortsbaserade simuleringar, forskare studerade regelbundna volymstrukturer bestående av två dielektrikar med nära parametrar, och fann att de optiska egenskaperna hos dessa strukturer skiljer sig från både de hos naturliga kristaller och konstgjorda periodiska kompositer, som för närvarande väcker stort intresse.

Den teoretiska studien genomförd av seniorforskaren Alexey Shcherbakov och sjätteårsstudenten Andrey Ushkov, som båda arbetar på Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, ägnas åt specifika sammansatta medier som simulerades med hjälp av ett tillvägagångssätt som utarbetats av gruppen. Dessa medier möjliggör förekomsten av en effekt som kallas dubbelbrytning - när den belyses av en ljusstråle, den ursprungliga strålen delas i två inuti mediet. I deras artikel publicerad i Optik Express , fysikerna förutspådde förekomsten av sammansatta kristallstrukturer av en ny typ, där dubbelbrytning sker på ett ganska annorlunda sätt än det gör i naturliga kristaller.

Uppdelningen av en stråle i två i dubbelbrytande material beror på beroende av en kristalls egenskaper på riktningen för ljusvågspridning, och polariseringen av ljusvågor. Polarisering är riktningen för de elektromagnetiska fältoscillationerna i vågen; vanligt ljus är en kaotisk blandning av vågor med olika polarisationer.

För att förstå polarisering, tänk dig ett långt rep fäst i ena änden på en vägg. Om någon sträcker repet och regelbundet börjar flytta den fria änden av repet, vågor kommer att dyka upp. Den fria änden kan flyttas antingen horisontellt eller vertikalt. Hela repet rör sig sedan antingen i ett horisontellt respektive vertikalt plan, och det här är de två olika polarisationerna av vågor i repet.

När ljuset sprider sig genom en dubbelbrytande kristall, några av vågorna med en polarisationsförskjutning i en riktning, medan de andra, med en annan polarisering, växla åt ett annat håll. Med den här egenskapen, forskare kan använda kristallen för att filtrera helt eller delvis polariserat ljus beroende på polariseringstillståndet för den första infallande strålen. Detta fenomen kunde ha använts av vikingar, som upptäckte solens position på en grumlig himmel med Island spar. Nu för tiden, dubbelbrytande kristaller används i stor utsträckning i lasertekniker.

Teorin om dubbelbrytning innefattar begreppen optisk axel och isofrekvensyta. Den första termen hänvisar till en riktning i kristallen där den infallande vågen inte delas i två. Till exempel, Island spar har en enda optisk axel, och saltkristaller har inga, eftersom de inte har dubbelbrytning. Det finns material med två optiska axlar, som Glaubers salt, vars grundbeståndsdel används flitigt inom glasindustrin och tillverkning av tvättmedel. Inom klassisk kristalloptik, exklusive magnetiska och gyrotropa (relaterade till polarisationsrotation) effekter, alla kristaller är indelade i tre typer:isotrop, och anisotrop med en eller två optiska axlar.

Det andra konceptet, isofrekvensyta, illustrerar beroende av ljusets hastighet i en kristall i rumslig riktning. Denna yta ritas på ett sådant sätt att längden på en vektor från koordinatramens ursprung och slutar vid en ytpunkt är lika med förhållandet mellan ljusets hastighet i ett vakuum och ljusets hastighet i kristallen i den riktning som anges av vektorn. Isofrekvensytan på en isotrop kristall är en sfär vars radie är lika med kristallens brytningsindex eftersom ljuset förökar sig i ett isotropiskt medium med samma hastighet i vilken riktning som helst. Brytningsindex för transparenta material är alltid större än enhet.

För dubbelbrytande media, formen på isofrekvensytan skiljer sig från sfären. Dessutom, ytan i sig ser ut som om den består av två delar, en inre och en yttre del. Dessa två delar illustrerar hur långsammare ljuset sprider sig i kristallen än i ett vakuum i varje riktning för två olika ljuspolarisationer. Punkter där ytans delar skär varandra indikerar de optiska axlarna, riktningar där ljusets hastighet inte beror på polarisationen. Figuren nedan visar isofrekvensytor för salt, Island spar och Glaubers salt.

Utöver klassisk kristalloptik, vars grunder vanligtvis lärs till fysikstudenter, det verkar som att även kristaller med ett enkelt kubikgitter, som salt, är optiskt anisotropa, d.v.s. ljuset sprider sig åt olika håll på olika sätt. I det enklaste fallet, denna anisotropi beskrevs av Hendrik Lorentz i början av 1900 -talet. Så många som sju optiska axlar hittades i sådana kristaller. Denna effekt bekräftades experimentellt i slutet av 1900 -talet när forskare började använda lasrar i forskning. Dock, de två delarna av isofrekvensytan tycktes vara nästan oskiljbara (en relativ skillnad i storleksordningen 10-5-10-6), så att sådan anisotropi praktiskt taget försvinner. I modern teknik, det beaktas bara i ultrahög precision optiska projektionsfästen för djup ultraviolett nanolitografi, som används i modern mikroelektronisk tillverkning.

Förutom naturliga kristaller, som tvåbrytande Island spar, forskare kan manipulera kristallstrukturen med hjälp av konstgjorda material. Framsteg inom mikro- och nanofabrication under de senaste två decennierna driver studier av dessa konstgjorda material, inklusive metamaterial och fotoniska kristaller, mot kanten av optisk vetenskap. Det vanliga atom- eller molekylarrangemanget ersätts av ett vanligt geometriskt mönster i dessa strukturer. Detta mönster kan jämföras med en prydnadsdesign på en juvelbox i trä, men i tre dimensioner och med en skala från dussintals nanometer till hundratals mikrometer.

Konstgjorda regelbundna strukturer, fotoniska kristaller och metamaterial kan uppvisa ganska ovanliga optiska egenskaper, som dramatiskt skiljer sig från egenskaperna hos naturliga kristaller. Till exempel, periodisk strukturering vid mikro- och nanoskalor gör det möjligt för forskare att övervinna diffraktionsgränsen för mikroskopupplösning, och skapa platta linser. Metamaterial kan ha ett negativt brytningsindex och vara starkt optiskt anisotropa. Den nya artikeln av Alexey Shcherbakov och Andrey Ushkov överbryggar klyftan mellan naturliga kristaller och de nämnda konstgjorda fotoniska materialen, och beskriver optiska kompositer som å ena sidan inte kan beskrivas inom ramen för klassisk kristallografi, och å andra sidan är inte traditionella fotoniska kristaller eller metamaterial.

Författarna till den nyligen publicerade forskningen använde sin egen modell och metod, som de körde på NVidia grafikbehandlingsenheter, att simulera sammansatt dielektrik periodiskt strukturerad i tre dimensioner, d.v.s. ett 3D-gitter av två transparenta material. I motsats till metamaterial och fotoniska kristaller, där den optiska kontrasten mellan gitterbeståndsdelar är stark, MIPT -fysiker studerade en kombination av lågt brytningsindex och lågt optiskt kontrastmedium med en relativt liten period, ungefär en tiondel av våglängden. Trots att denna kombination inte vanligtvis implicit antogs ge några intressanta effekter, forskningen visade att några intressanta fysiska fenomen förbises.

För låga värden av perioder av undersökta strukturer är deras optiska egenskaper verkligen oskiljbara från det optiska beteendet hos naturliga kristaller:kompositer med ett kubiskt gitter är praktiskt taget isotropa, medan kompositer med, till exempel, tetragonala och ortorombiska gitter uppvisar uniaxiella och biaxiella egenskaper. Dock, öka perioden samtidigt som beskrivningen av kompositen som ett effektivt medium hålls giltig, som författarna visat, kan orsaka mycket ovanligt beteende.

Först, det dyker upp nya optiska axlar (upp till tio axlar i en ortorombisk kristall). Dessutom, medan riktningarna för optiska axlar är fixerade inom klassisk kristallografi, några av de nya optiska axlarnas riktningar visar sig vara beroende av förhållandet mellan period och våglängd. Andra, i den riktning där den maximala skillnaden mellan ljusets hastighet för två polarisationer sker under små perioder (det maximala avståndet mellan de två delarna av isofrekvensytan), denna skillnad kan praktiskt taget gå till noll, eller, med andra ord, riktningen kan bli en optisk axel, vid en viss relativt stor period. Förutom, på grund av användningen av den rigorösa metoden, författarna erhöll kvantitativa bedömningar av giltigheten av den effektiva medium -approximationen.

"Forskare nämnde faktiskt att det kan vara möjligt för en kristall att ha många optiska axlar i mitten av 1900-talet-detta uttalades, till exempel, av den ryska nobelprisvinnaren Vitaly Ginzburg. Dock, i naturliga kristaller är sådana effekter omöjliga på grund av periodens litenhet, och det fanns ingen teknik för att tillverka en komposit av god kvalitet. Dessutom, datormaskinernas kraft var också otillräcklig för att uppskatta de nödvändiga korrigeringarna av anisotrop dielektrisk permittivitet som kommer från gitteranisotropi. Vårt resultat bygger på gemensam användning av moderna beräkningsfysiska metoder tillsammans med den höga datorkraft som grafikkort ger. I vårt arbete utvecklade vi också ett tillvägagångssätt som gör att vi kan beräkna ett effektivt optiskt svar av en komplex komposit med kontrollerad precision med hjälp av så kallade första principberäkningar (i vårt fall, en rigorös lösning av Maxwells ekvationer), "sa Alexey Shcherbakov och beskrev resultaten.

Möjligheter för praktiska tillämpningar kan komma efter experimentell validering av de teoretiska förutsägelserna. Modern teknik möjliggör i princip tillverkning av kompositer av intresse för drift i olika optiska band. Till exempel, 3-D högupplöst multiphoton litografi kan användas för det infraröda bandet, medan för terahertz -bandet kan man tillämpa mikrostereolitografi. De upptäckta effekterna gör konstgjord kristallanisotropi starkt beroende av strålningsvåglängden, vilket inte är fallet för transparenta naturkristaller. Detta kan göra det möjligt för forskare att utveckla nya typer av optiska polariseringskontrollelement.