Natuurkundigen van MIPT hebben het bestaan ​​voorspeld van transparante composietmedia met ongebruikelijke optische eigenschappen. Met behulp van op grafische kaarten gebaseerde simulaties, wetenschappers bestudeerden reguliere volumestructuren bestaande uit twee diëlektrica met nauwe parameters, en ontdekte dat de optische eigenschappen van deze structuren verschillen van zowel die van natuurlijke kristallen als van kunstmatige periodieke composieten, die momenteel volop in de belangstelling staan.

De theoretische studie uitgevoerd door senior onderzoeker Alexey Shcherbakov en zesdejaars student Andrey Ushkov, die beiden werken in het Laboratorium voor Nanooptica en Plasmonics, is gewijd aan specifieke composietmedia die werden gesimuleerd door middel van een door de groep uitgewerkte aanpak. Deze media zorgen voor het bestaan ​​van een effect dat dubbele breking wordt genoemd - wanneer verlicht door een lichtstraal, de originele bundel splitst in tweeën in het medium. In hun artikel gepubliceerd in Optica Express , de natuurkundigen voorspelden het bestaan ​​van samengestelde kristalstructuren van een nieuw type, waarin dubbele breking op een heel andere manier optreedt dan in natuurlijke kristallen.

De splitsing van een bundel in tweeën in dubbelbrekende materialen is te wijten aan de afhankelijkheid van de eigenschappen van een kristal van de richting van de voortplanting van lichtgolven, en de polarisatie van lichtgolven. Polarisatie is de richting van de elektromagnetische veldoscillaties in de golf; gewoon licht is een chaotisch mengsel van golven met verschillende polarisaties.

Om polarisatie te begrijpen, stel je een lang touw voor dat aan het ene uiteinde aan een muur is bevestigd. Als iemand het touw uitrekt en periodiek het vrije uiteinde van het touw begint te bewegen, golven zullen verschijnen. Het vrije uiteinde kan zowel horizontaal als verticaal worden bewogen. Het hele touw zou dan respectievelijk in een horizontaal of verticaal vlak bewegen, en dit zijn de twee verschillende polarisaties van golven in het touw.

Wanneer het licht zich voortplant door een dubbelbrekend kristal, sommige golven met één polarisatie verschuiven in één richting, terwijl de anderen, met een andere polarisatie, in een andere richting verschuiven. Met behulp van deze eigenschap, onderzoekers kunnen het kristal gebruiken om gedeeltelijk of volledig gepolariseerd licht te filteren, afhankelijk van de polarisatietoestand van de aanvankelijke invallende bundel. Dit fenomeen had door Vikingen kunnen worden gebruikt, die de stand van de zon in een bewolkte hemel detecteerde met IJsland spar. Vandaag de dag, dubbelbrekende kristallen worden veel gebruikt in lasertechnieken.

De theorie van dubbele breking omvat de concepten optische as en isofrequentie-oppervlak. De eerste term verwijst naar een richting in het kristal waarin de invallende golf niet in tweeën splitst. Bijvoorbeeld, IJsland spar heeft een enkele optische as, en zoutkristallen hebben er geen, omdat ze geen dubbele breking bezitten. Er zijn materialen met twee optische assen, zoals Glauber's zout, waarvan het basisbestanddeel veel wordt gebruikt in de glasindustrie en de vervaardiging van wasmiddelen. Binnen de klassieke kristaloptiek, exclusief magnetische en gyrotrope (gerelateerd aan polarisatierotatie) effecten, alle kristallen zijn onderverdeeld in drie soorten:isotroop, en anisotroop met één of twee optische assen.

Het tweede begrip, isofrequentie oppervlak, illustreert de afhankelijkheid van de lichtsnelheid in een kristal op ruimtelijke richting. Dit oppervlak is zo getekend dat de lengte van een vector beginnend vanaf de oorsprong van het coördinatenframe en eindigend op een oppervlaktepunt gelijk is aan de verhouding van de lichtsnelheid in vacuüm tot de lichtsnelheid in het kristal in de richting aangegeven door de vector. Het isofrequente oppervlak van een isotroop kristal is een bol waarvan de straal gelijk is aan de brekingsindex van het kristal, aangezien het licht zich met dezelfde snelheid in elke richting voortplant in een isotroop medium. De brekingsindex van transparante materialen is altijd groter dan één.

Voor dubbelbrekende media, de vorm van het isofrequentie-oppervlak verschilt van de bol. Bovendien, het oppervlak zelf ziet eruit alsof het uit twee delen bestaat, een binnenste en een buitenste deel. Deze twee delen illustreren hoe langzamer het licht zich in het kristal voortplant dan in een vacuüm in elke richting voor twee verschillende lichtpolarisaties. Punten waar de delen van het oppervlak elkaar snijden, geven de optische assen aan, richtingen waarin de lichtsnelheid niet afhangt van de polarisatie. De onderstaande figuur toont isofrequentie-oppervlakken voor zout, IJslands spar en Glauber's zout.

Naast de klassieke kristaloptiek, waarvan de basisprincipes gewoonlijk worden onderwezen aan natuurkundestudenten, het blijkt dat zelfs kristallen met een eenvoudig kubisch rooster, zoals zout, zijn optisch anisotroop, d.w.z., het licht plant zich daar in verschillende richtingen anders voort. In het eenvoudigste geval deze anisotropie werd in het begin van de 20e eeuw beschreven door Hendrik Lorentz. Maar liefst zeven optische assen werden in dergelijke kristallen gevonden. Dit effect werd experimenteel bevestigd aan het einde van de 20e eeuw toen wetenschappers lasers begonnen te gebruiken in onderzoek. Echter, de twee delen van het isofrequentie-oppervlak leken bijna niet te onderscheiden (een relatief verschil in de orde van 10-5-10-6), zodat een dergelijke anisotropie praktisch verdwijnt. Bij moderne technologieën, er wordt alleen rekening mee gehouden in ultra-precieze optische projectie-montages voor diepe ultraviolette nanolithografie, die wordt gebruikt in moderne micro-elektronische fabricage.

Naast natuurlijke kristallen, zoals dubbelbrekende IJslandse spar, wetenschappers kunnen de kristalstructuur manipuleren met behulp van kunstmatige materialen. Vooruitgang in micro- en nanofabricage gedurende de laatste twee decennia dwong studies van deze kunstmatige materialen, inclusief metamaterialen en fotonische kristallen, naar de rand van de optische wetenschap. De reguliere atomaire of moleculaire rangschikking wordt in deze structuren vervangen door een regelmatig geometrisch patroon. Dit patroon is te vergelijken met een ornamentaal ontwerp op een houten juwelenkistje, maar in drie dimensies en met een schaal van tientallen nanometers tot honderden micrometers.

Kunstmatige reguliere structuren, fotonische kristallen en metamaterialen kunnen nogal ongebruikelijke optische eigenschappen vertonen, die dramatisch verschillen van de eigenschappen van natuurlijke kristallen. Bijvoorbeeld, periodieke structurering op micro- en nanoschaal stelt wetenschappers in staat om de diffractielimiet op microscoopresolutie te overwinnen, en maak platte lenzen. Metamaterialen kunnen een negatieve brekingsindex hebben en sterk optisch anisotroop zijn. Het nieuwe artikel van Alexey Shcherbakov en Andrey Ushkov overbrugt de kloof tussen natuurlijke kristallen en de genoemde kunstmatige fotonische materialen, en beschrijft optische composieten die enerzijds niet kunnen worden beschreven in het kader van klassieke kristallografie, en aan de andere kant zijn het geen traditionele fotonische kristallen of metamaterialen.

De auteurs van het nieuw gepubliceerde onderzoek gebruikten hun eigen model en methode, die ze draaiden op NVidia grafische verwerkingseenheden, om samengestelde diëlektrica te simuleren die periodiek in drie dimensies zijn gestructureerd, d.w.z., een 3D-raster van twee transparante materialen. In tegenstelling tot metamaterialen en fotonische kristallen, waar het optische contrast tussen roosterbestanddelen sterk is, MIPT-fysici bestudeerden een combinatie van lage brekingsindex en lage optische contrastmedia met een relatief korte periode, ongeveer een tiende van de golflengte. Ondanks het feit dat deze combinatie niet vaak impliciet werd verondersteld interessante effecten op te leveren, het onderzoek toonde aan dat een aantal interessante fysieke verschijnselen over het hoofd werden gezien.

Voor lage waarden van perioden van onderzochte structuren zijn hun optische eigenschappen inderdaad niet te onderscheiden van het optische gedrag van natuurlijke kristallen:composieten met een kubisch rooster zijn praktisch isotroop, overwegende dat composieten met, bijvoorbeeld, tetragonale en orthorhombische roosters vertonen uniaxiale en biaxiale eigenschappen. Echter, het verlengen van de periode met behoud van de beschrijving van het composiet als een effectief medium, zoals de auteurs hebben aangetoond, kan zeer ongewoon gedrag veroorzaken.

Eerst, er verschijnen nieuwe optische assen (tot tien assen in een orthorhombisch kristal). Bovendien, terwijl de richtingen van optische assen vastliggen binnen klassieke kristallografie, de richtingen van sommige van de nieuwe optische assen blijken afhankelijk te zijn van de periode tot golflengteverhouding. Tweede, in de richting waar het maximale verschil van de lichtsnelheid voor twee polarisaties gedurende korte perioden optreedt (de maximale afstand tussen de twee delen van het isofrequentie-oppervlak), dit verschil kan praktisch nul zijn, of, met andere woorden, de richting kan een optische as worden, in een bepaalde relatief grote periode. Daarnaast, door het gebruik van de strenge methode, de auteurs verkregen kwantitatieve beoordelingen over de validiteit van de effectieve mediumbenadering.

"Wetenschappers zeiden zelfs dat het mogelijk is dat een kristal in het midden van de 20e eeuw meerdere optische assen bezit - dit werd gezegd, bijvoorbeeld, door de Russische Nobelprijswinnaar Vitaly Ginzburg. Echter, in natuurlijke kristallen zijn dergelijke effecten onmogelijk vanwege de kleinheid van de periode, en er waren geen technologieën om een ​​composiet van goede kwaliteit te vervaardigen. Aanvullend, de kracht van computermachines was ook onvoldoende om de noodzakelijke correcties te schatten voor de anisotrope diëlektrische permittiviteit afkomstig van roosteranisotropie. Ons resultaat is gebaseerd op het gezamenlijke gebruik van moderne methoden van computationele fysica samen met de hoge rekenkracht van grafische kaarten. In ons werk hebben we ook een aanpak ontwikkeld waarmee we een effectieve optische respons van een complexe composiet met gecontroleerde precisie kunnen berekenen door middel van zogenaamde eerste-principeberekeningen (in ons geval, een rigoureuze oplossing van de vergelijkingen van Maxwell), " zei Alexey Shcherbakov die de resultaten beschrijft.

Mogelijkheden voor praktische toepassingen kunnen komen na experimentele validatie van de theoretische voorspellingen. Moderne technologieën maken in principe de fabricage mogelijk van composieten die van belang zijn voor gebruik in verschillende optische banden. Bijvoorbeeld, 3-D hoge resolutie multiphoton lithografie kan worden gebruikt voor de infraroodband, terwijl men voor de terahertz-band microstereolithografie kan toepassen. De ontdekte effecten maken kunstmatige kristalanisotropie sterk afhankelijk van de stralingsgolflengte, wat bij transparante natuurlijke kristallen niet het geval is. Dit kan wetenschappers in staat stellen nieuwe soorten optische polarisatiecontrole-elementen te ontwikkelen.