Физики упростили проектирование оптических наносистем

Физики нашли способ облегчить проектирование использующих графен и метаматериалы устройств, которые привлекают большое внимание как ученых, так и инженеров. Ученые создали модель, которая описывает взаимодействие света с произвольной поверхностью и позволяющую напрямую получить так называемую матрицу рассеяния — важнейшую характеристику оптической системы. Работа исследователей из МФТИ и Университета Лиона (Франция) опубликована в журнале Physical Review E. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.

Один из основных этапов разработки оптических систем — на основе информации о падающем на деталь свете предсказать дальнейшее распространение лучей. Для решения этой задачи необходимо рассчитать матрицу рассеяния или, как ее называют специалисты, S-матрицу. Эта задача далеко не тривиальна, поскольку известное из школьной программы правило «угол падения равен углу отражения» работает только для зеркал, да и то при оговорке, что зеркало непрозрачное, идеально чистое и не поглощает света. В современных оптических устройствах могут использоваться разного рода тонкие пленки, а в последние годы возрос интерес к так называемым метаматериалам и метаповерхностям — структурам, которые могут проявлять уникальные свойства, не встречающиеся у природных материалов. Например, они могут представлять собой сложные регулярные структуры вроде гребенки, частокола микроскопических колонн или других фигур. Такие неровности при взаимодействии с падающим светом могут давать самые неожиданные эффекты, например, отрицательный коэффициент преломления.

S-матрица представляет собой прямоугольную таблицу чисел, характеризующих переход от падающих электромагнитных волн к волнам, которые распространяются от поверхности материала. Она позволяет напрямую рассчитать все характеристики рассеянного излучения на основании характеристик падающих волн. Исследователи вывели формулы для расчета компонентов этой матрицы.

«Оптические элементы можно представить составленными из более простых блоков, — рассказывает первый автор работы Алексей Щербаков. — Если мы знаем S-матрицу этого блока, то нам уже неважно, из чего он состоит и какие там микроскопические параметры (форма, размеры, материал). То есть если известна эта характеристика для некоего черного ящика, то уже не так важно, что внутри этого ящика. Зная S-матрицы разных блоков, мы можем их комбинировать с помощью достаточно простого правила, составлять новые элементы и сразу получать новые матрицы. Это более высокий уровень абстракции, чем модельное описание микроскопических параметров оптических подсистем».

Новый подход физики продемонстрировали на примере гофрированной поверхности, которая взаимодействует с терагерцовым излучением. Это излучение, которое в спектре находится между инфракрасным и СВЧ-диапазоном, сегодня активно внедряется в системы безопасности и медицину: оно не так опасно, как рентгеновское, но позволяет, например, увидеть пистолет под одеждой или опухоль под кожей. Физики продемонстрировали, что новая модель способна просчитать, как терагерцовые волны будут отражаться от гребенки со сложным составом: снизу кремний, далее оксид кремния, а на самом верху — графен, известный своей способностью реагировать на терагерцовое излучение возбуждением внутренних электромагнитных колебаний, так называемых плазмонов.

Несмотря на то, что новая работа исключительно теоретическая, она тесно привязана к ряду практических исследований. Современная оптика не ограничивается привычными устройствами ночного видения, фотоаппаратами и микроскопами/телескопами — это лазеры, оптоволоконные линии связи, всевозможные датчики и научные приборы вроде спектрографов. И практически везде возможность целенаправленно менять оптические свойства поверхности играет ключевую роль в проектировании устройства.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.