Коллектив ученых лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» разработал метаматериал-диэлектрик, уникальные характеристики и простота изготовления которого позволят использовать его для создания новейших оптических устройств. Статья о разработке опубликована в журнале Laser&Photonics Reviews, популярно об открытии рассказывается в поступившем в редакцию пресс-релизе университета.

Работа ученых демонстрирует новое перспективное направление в разработке метаматериалов - материалов, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Ранее диэлектрические метаматериалы изготавливались путем фабрикации сложных диэлектрических (сферических или цилиндрических) наночастиц или же путем напыления различных нанослоев. В своей работе команда лаборатории «Сверхпроводящие материалы» показала, что метаматериалы можно изготавливать путем перфорирования отверстий в тонкой пленке кремния или другого диэлектрика. Один из самых легких путей – использование FIB пучка – фокусируемого ионного пучка, который позволяет создавать отверстия до 5 нм.

«В теоретической части исследования нам удалось показать, что в оптическом диапазоне частот можно будет возбудить особое анапольное состояние, которое перспективно для сильной локализации электромагнитных полей, а также сенсоров. Кроме того, мы установили, что такой метаматериал может быть прозрачен для электромагнитных волн, что в реальных экспериментах с кремнием должно показать очевидность нашей методики и существенно повысить прозрачность кремниевых пластин, например, для применения в солнечных батареях», – говорит руководитель проекта Алексей Башарин.

Анаполь — это неизлучающий источник, электромагнитные поля которого сохраняются в нем самом, и не излучаются в окружающее пространство. Это уникальное состояние возникает за счет замкнутости линий электрических токов и создающихся ими электромагнитных полей. По сути он представляет собой самосогласованную систему, аналогичную понятию стабильного атома.


Анаполь. Изображение предоставлено авторами исследования.

Анаполь прозрачен для электромагнитного излучения. В 2017 году исследовательская группа лаборатории «Сверхпроводящие материалы» совместно с University of Crete (Ираклирон) установила, что анаполь – идеальный резонатор. При облучении извне, анаполь сохраняет всю полученную энергию внутри, а электромагнитные колебания затухают крайне медленно. По сравнению с металлическими метаматериалами, диэлектрические более перспективны, так как они не нагреваются под действием электромагнитного излучения, что минимизирует рассеивание энергии. Кроме того, все материалы такого типа можно масштабировать в оптическом диапазоне и контролировать их резонанс.

Разработанный метаматериал предлагается использовать в кремниевой нанооптике и солнечных батареях. Работа над экспериментальной частью исследования продолжается совместно с РАН и зарубежными партнерами.