20 октября 2019, воскресенье, 09:00
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

06 марта 2017, 15:32

Необычный оптический кристалл

Пример двулучепреломления в кальците (исландском шпате)
Пример двулучепреломления в кальците (исландском шпате)

Физики смоделировали необычный композит из материалов, не сильно отличающихся показателями преломления, и получили необычные, ранее совершенно невозможные, оптические эффекты. Обнаруженные эффекты фактически делают анизотропные свойства искусственных кристаллов существенно зависимыми от длины волны падающего излучения, чего не наблюдается у природных материалов. Это может дать возможность создать новые типы оптических элементов, управляющих поляризацией световых волн. Кратко о работе сообщает пресс-релиз Московского физико-технического института.

Физики из МФТИ предсказали существование прозрачных композитных сред с необычными оптическими свойствами. Проведя расчеты на видеокартах, ученые смоделировали упорядоченную объемную структуру из двух близких по параметрам диэлектриков и обнаружили, что ее оптические свойства отличаются и от известных природных кристаллов, и от активно исследуемых искусственных периодических композитов.

Теоретическое исследование, выполненное старшим научным сотрудником Алексеем Щербаковым и студентом шестого курса Андреем Ушковым, работающими в лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, посвящено особым прозрачным композитным средам, которые удалось смоделировать при помощи разработанного учеными метода. Эти среды отличаются наличием такого эффекта, как двулучепреломление — если через них пропускать свет, то исходный луч разделяется на два. В статье, которая опубликована в журнале Optics Express, физики предсказали возможность существования композитных кристаллических структур нового типа, таких, в которых двулучепреломление происходит совершенно иначе, чем в естественных кристаллах.

Разделение  одного луча на два в двулучепреломляющих кристаллах с одной стороны обусловлено зависимостью свойств кристалла от направления распространения волн (анизотропией), а с другой — наличием у световых волн поляризации. Поляризацией называют направление колебаний электромагнитного поля в волне, и обычный свет (не от лазера, а, к примеру, от солнца или лампы) представляет собой хаотическую смесь волн с разной поляризацией.

Для наглядного представления поляризации можно представить длинную веревку, привязанную одним концом к стене. Если натянуть веревку и периодически двигать другой конец, в ней можно возбудить волны. При этом свободный конец можно двигать в горизонтальном или вертикальном направлении. Соответственно, и вся веревка будет изгибаться либо в горизонтальной, либо в вертикальной плоскости, чему соответствуют две различные поляризации.

При распространении света через двулучепреломляющий кристалл часть волн с одной поляризацией отклоняются в одну сторону, а часть волн с другой поляризацией — в другую. Кристалл, таким образом, позволяет выделить частично или полностью поляризованное излучение в зависимости от состояния поляризации падающего луча. Это явление могло использоваться уже викингами, которые брали с собой кристалл исландского шпата для поиска солнца на скрытом облаками небе, а в наши дни двулучепреломляющие кристаллы активно применяются в лазерной технике.

В теории, описывающей двулучепреломление, оказываются важными понятия оптической оси и изочастотной поверхности. Первый термин обозначает направление, в котором эффект разделения лучей с разной поляризацией исчезает. Например, у исландского шпата такая ось одна, а у обыкновенной поваренной соли оси нет вовсе, как нет и эффекта двулучепреломления. Есть материалы, скажем, мирабилит, в основу которого входит применяемый в стекольной промышленности и при производстве моющих средств сульфат натрия, у которого оптических осей две. В рамках классической кристаллооптики, если не рассматривать магнитные и гиротропные (связанные с вращением плоскости поляризации) эффекты, множество всех кристаллов исчерпывается этими тремя типами: изотропные кристаллы и анизотропные кристаллы, у которых есть либо одна, либо две оптических оси.

Второе понятие, изочастотная поверхность, иллюстрирует зависимость скорости света в материале от выбранного направления. Эта поверхность изображается в таких координатах, что длина вектора, проведенного от начала координат до выбранной точки поверхности показывает то, с какой скоростью свет движется в направлении, задаваемом этим вектором. Если кристалл изотропен, то изочастотная поверхность является просто сферой: свет с любой поляризацией в любую сторону распространяется с одной и той же скоростью. Радиус этой сферы равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в кристалле — величине, называемой показателем преломления (в прозрачных материалах он всегда больше единицы).

Для двулучепреломляющих сред  форма изочастотной поверхности отличается от сферы. Кроме того, сама поверхность оказывается состоящей как бы из двух частей, внутренней и наружней. Эти две части иллюстрируют то, насколько медленнее по сравнению с вакуумом распространяется свет в каждом направлении в кристалле для двух независимых поляризаций. Точки пересечения поверхностей, в которых скорость света для разных поляризаций одинакова, соответствуют оптическим осям кристалла. Изочастотные поверхности для соли, кальцита (исландского шпата) и мирабилита (глауберовой соли) показаны на рисунке ниже.

Если выйти за рамки классической кристаллооптики, элементарные основы которой входят в состав курсов физических факультетов, оказывается, что даже у обычных кубических кристаллов, вроде уже упомянутой соли, тоже есть оптическая анизотропия, то есть свет в них в разных направлениях распространяется по-разному. Ее существование в простейшем случае теоретически описал еще Хендрик Лоренц в первой половине XX века. У таких кристаллов нашлось целых семь оптических осей, что было подтверждено экспериментально только во второй половине двадцатого века, когда ученые начали широко использовать в исследованиях лазеры. Однако отличие двух частей изочастотной поверхности оказалось настолько мало (относительная разность порядка 10–5-10–6), что такая анизотропия практически никак не проявляется. В настоящее время ее приходится учитывать лишь при создании прецизионных оптических систем проекционной нанолитографии высокого разрешения в глубоком ультрафиолете, с помощью которой создаются современные микросхемы.

Изочастотная поверхность кубического кристалла, для которой всегда существуют семь оптических осей. Поверхность изображена в таких масштабах, чтобы проиллюстрировать существование двух различных скоростей (показателей преломления) волн в разных направлениях. На самом деле для большинства кристаллов обе части поверхности практически не отличаются от сферы, и в обычном масштабе этот рисунок совпадает с первой поверхностью на предыдущем рисунке.

Помимо природных кристаллов, таких как двулучепреломляющий исландский шпат, в распоряжении ученых благодаря успехам в технологиях микро- и наноструктурирования в последние два десятилетия оказались искусственные среды с кристаллической структурой. Это так называемые метаматериалы и фотонные кристаллы. Упорядоченные наборы из атомов и молекул в таких искусственных структурах заменяют регулярный геометрический узор, который можно сравнить с повторяющимся вырезанном на деревянной шкатулке орнаментом, только в трех измерениях и с масштабом от десятков нанометров до сотен микрометров.

Искусственные упорядоченные структуры — фотонные кристаллы и метаматериалы — могут проявлять очень необычные свойства, которые разительно отличаются от свойств природных кристаллов. Так, периодическое структурирование на микро- и наномасштабах позволяет обойти связанные с дифракцией ограничения на разрешающую способность микроскопов и сделать плоские линзы. Метаматериалы могут иметь отрицательный коэффициент преломления и характеризоваться очень сильной оптической анизотропией. В новой статье Алексея Щербакова и Андрея Ушкова был теоретически изучен промежуточный случай кристаллов, которые уже нельзя описать в рамках классической кристаллографии, но которые еще и не являются полноценными метаматериалами или фотонными кристаллами.

Используя разработанный ими теоретический аппарат и проведя расчеты на игровых видеокартах NVidia, авторы нового исследования смоделировали композитные диэлектрики, периодически структурированные в трех измерениях: своего рода трехмерную решетку из двух разных прозрачных материалов. Правда, если привычные метаматериалы и фотонные кристаллы предполагали значительный контраст между материалом решетки и ее пустотами, то исследователи из МФТИ рассмотрели сочетание веществ с низкими и не сильно отличающимися друг от друга показателями преломления и малым периодом, порядка одной десятой длины волны света в вакууме, — хотя многие физики негласно предполагали, что столь низкий контраст и малые значения периода не приводят к каким-либо интересным эффектам. Как показало моделирование, расхожее мнение оказалось неверным.

Необычные анизотропные свойства прозрачных кристаллических композитных сред

При малых значениях периодов изученных композитов их оптические свойства действительно подобны свойствам природных кристаллов: композиты с кубической решеткой практически изотропны, а композиты, например, с тетрагональной и орторомбической решетками проявляют одноосные и двуосные свойства. Но авторы работы показали, что, если увеличивать период, оставаясь при этом в рамках границ применимости эффективного описания композита как некоторой объемной среды, можно добиться появления необычных эффектов.

Во-первых, в композитах возникают новые оптические оси (до десяти осей в орторомбическом кристалле). Причем, если в классической теории двулучепреломления направления оптических осей фиксированы для конкретного вещества, то направления некоторых из новых обнаруженных осей оказываются зависимыми от соотношения длины волны к периоду композитной диэлектрической структуры. Во-вторых, в направлениях, в которых при очень малых периодах наблюдается максимальное различие скоростей распространения волн двух разных поляризаций (наибольшее расстояние между двумя частями изочастотной поверхности), при достаточно больших периодах это различие может практически исчезнуть, то есть появится оптическая ось. Кроме того, благодаря использованию строгого метода расчета были получены количественные оценки эффектов и границ применимости теории эффективной среды.

«В действительности, о возможности существования множества оптических осей в периодических прозрачных структурах писали еще в середине XX века, например, наш нобелевский лауреат Виталий Лазаревич Гинзбург. Однако в естественных кристаллах такие эффекты невозможны из-за малости периода, а технологий изготовления качественных композитов тогда не было. Кроме того, из-за недостаточной мощности вычислительных машин не было и возможности количественно оценить необходимые поправки к диэлектрической проницаемости, обусловленные анизотропией решетки. Полученный в нашей статье результат основан на совокупном использовании современных методов вычислительной физики, а также мощности и практичности, которую представляют видеокарты. В работе мы также развили подход, который на основании первопринципов (в данном случае, строгих численных решений фундаментальных уравнений Максвелла) позволяет с контролируемой точностью рассчитывать эффективный оптический отклик сложной композитной среды», — прокомментировал результаты исследования Алексей Щербаков.

О практических применениях обнаруженных свойств можно будет судить лишь после экспериментальной проверки теоретических предсказаний. Существующие на сегодняшний день технологии принципиально позволяют создавать изученные в работе структуры для различных оптических диапазонов. Так, для терагерцового диапазона можно использовать метод микростереолитографии, а для инфракрасного — трехмерную мультифотонную литографию повышенного разрешения. Обнаруженные эффекты фактически делают анизотропные свойства искусственных кристаллов существенно зависимыми от длины волны падающего излучения, чего не наблюдается у природных материалов. Это может дать возможность создать новые типы оптических элементов, управляющих поляризацией световых волн.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.