Свет — одно из самых привычных явлений в нашей жизни, но по-прежнему остается полем активных научных исследований. Мы научились направлять и отражать его, создавать лазеры, передавать по оптическим волокнам данные и даже получать изображения далеких галактик. Однако сегодня наука выходит на новый уровень, поскольку управлять светом теперь можно не только с помощью зеркал и линз, но и самой формой материала, через которую он проходит.
Физики Петр Казинский и Петр Королев из Томского государственного университета опубликовали работу в журнале Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, в которой описали, как метаматериалы со спиральной структурой могут кардинально изменить поведение света, сообщает пресс-служба вуза.
Метаматериалы — это искусственно созданные среды, в которых главное не химия, а форма. Если взять тонкие проволочки, скрутить их в миниатюрные спиральки и выстроить в трехмерную решетку, получится материал с необычной симметрией. Он выглядит одинаково, даже если его немного провернуть и сдвинуть. Это сильно влияет на то, как внутри него распространяется свет.
В таких материалах поведение света становится особенно сложным и интересным. Он начинает «чувствовать» не только точку, где находится, но и ее окружение. В результате его направление, яркость и поляризация (то, как колеблются волны) начинают зависеть от самой структуры материала.
Особенно любопытно, что спиральные метаматериалы могут отличать «правый» свет от «левого». Оказывается, у света тоже есть «стороны тела» — ученые называют это киральностью. Обычные материалы относятся к нему одинаково, а вот спиральные пропускают только один «тип», например, только правосторонне закрученные волны, а левосторонние — блокируют.
Это создает киральные запрещенные зоны — диапазоны частот, на которых свет просто не проходит. В некоторых случаях можно даже полностью перекрыть прохождение света, как если бы вы выключили лампочку.
Чтобы понять и предсказать, как именно поведет себя свет в таком материале, ученые предложили математическую модель. Она основана на эффективной теории поля — это способ описывать сложные явления с помощью компактных формул без огромных вычислительных симуляций. В модели появляется плазмонное поле (плазмоны — квантованные колебания плазмы), которое помогает понять, как движутся заряды, и как это влияет на свет.
Такая модель поможет быстро и точно проектировать новые материалы с заданными оптическими свойствами. Это ускорит разработку технологий: от фильтров, которые пропускают только нужный свет, до элементов квантовой связи и оптических сенсоров для медицины.
Ранее Наука Mail рассказывала, что физики научились пропускать свет в разных направлениях с разной скоростью.