Свет, как правило, взаимодействует с материалом одинаково, с какой бы стороны он на него ни падал. Это правило, известное как оптическая взаимность, лежит в основе работы большинства линз, зеркал и других оптических устройств. Однако исследователи из Корнеллского университета (США) нашли простой способ нарушить эту симметрию, что открывает новые горизонты для фотоники и квантовых технологий. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Materials.
Весь секрет в особых наноматериалах, которые называются кластерами «магического размера». Эти частицы сами собираются в спиральные структуры и образуют тонкие пленки. Такие пленки сильно взаимодействуют со светом, причем сразу двумя способами. Во-первых, они по-разному пропускают линейно поляризованный свет — тот, что колеблется в одной плоскости. Во-вторых, они реагируют на свет с круговой поляризацией, вращающейся по спирали. Обычно круговые эффекты намного слабее линейных, поэтому их совместное действие на свет раньше не учитывали.
В ходе работы выяснилось, что если оба этих способа взаимодействия имеют сравнимую величину, возникает неожиданный эффект: материал начинает по-разному пропускать и поглощать свет в зависимости от того, с какой стороны — передней или задней — на него направлен луч. Ученым удалось продемонстрировать такое поведение на пленках из сульфида, селенида и теллурида кадмия. Это говорит о том, что явление не является уникальным для одного вещества, а может встречаться у широкого круга подобных полупроводниковых материалов.
На основе этого открытия можно создавать пленки, изображение на которых меняется в зависимости от точки обзора. К примеру, нанесение такого материала спереди может читаться как одна буква, а сзади — как совершенно другая. В перспективе эту технику можно усложнить, добавив цветовые или спектральные вариации, что позволит создавать многослойные голограммы с уникальным внешним видом в зависимости от направления взгляда.
Представьте себе оконные жалюзи, через горизонтальные планки которых проникает солнечный свет, но с противоположной стороны те же жалюзи пропускают свет так, как если бы планки были вертикальными, полностью перевернутыми.
Практическое применение такой направленной асимметрии очень широко. Она позволяет разрабатывать компактные оптические компоненты, которые направляют информационные сигналы по-разному в зависимости от стороны входа света. Кроме того, это открывает новые пути для оптического шифрования данных и создания устройств для квантовой обработки информации, где поляризация света играет ключевую роль.
Особую ценность работе придает то, что для получения такого эффекта не требуются сложные метаматериалы или мощные магнитные поля. Необычные свойства проявляются в довольно простых веществах, которые ученые уже давно умеют синтезировать. Это означает, что новые невзаимные фотонные системы можно создавать из уже известных материалов, что значительно упрощает и удешевляет их внедрение в реальные технологии.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что найден способ управлять магнитными свойствами при помощи света.