Новое зеркало нарушило закон отражения лучей

Учёные из гарвардского университета заставили свет игнорировать классические законы оптики. Исследователи построили плоское зеркало, отражающее лучи словно кривое. Достижение открывает путь к оптике, обладающей уникальным сочетанием свойств.

Схема аномальной поверхности. За счёт плавного градиента в параметрах нанорезонаторов (внизу), световой фронт, падая перпендикулярно, отражается с наклоном (красная линия) (иллюстрация Nanfang Yu/ SEAS).

Новая технология обращения со светом называется «разрывность фазы» (phase discontinuity), передаёт PhysOrg.com. Суть её заключается в следующем.

На плоскую поверхность кремния наносится узор из тончайших линий золота, причём элементы узора по размеру — меньше длины световых волн (к примеру, видимого света). Если эти антенны-резонаторы будут выполнены чуть-чуть разной величины на тех или иных участках поверхности, в частности, образуют плавный градиентный рисунок, то появляется возможность проделывать с отражением почти что угодно.

Команда разработчиков зеркала (по часовой стрелке слева): Патрис Женеве (Patrice Genevet), Наньфан Юй (Nanfang Yu), Федерико Капассо (Federico Capasso), Зино Габурро (Zeno Gaburro) и Михаил Кац (Mikhail A. Kats). Внизу — смоделированный образ, который появился бы в большом зеркале с узором, созданным по новой технологии (фото Eliza Grinnell, Nanfang Yu/ SEAS).

Так плоское зеркало превращается в аналог кривого зеркала из комнаты смеха. Оно начинает растягивать или сжимать различные части изображения.

Более того, таким методом можно на разных участках зеркала (либо аналогичной линзы с наноузором на поверхности) произвольно настраивать угол отражения или преломления (вплоть до отрицательных значений, невозможных с обычными материалами), а ещё — частоту (цвет), амплитуду (яркость) и поляризацию отражённых или прошедших сквозь «интерфейс» лучей. Что и было продемонстрировано в эксперименте с небольшим куском нового материала.

Странные оптические эффекты, вроде штопорообразного вихря света, полученные группой Капассо на плоских поверхностях с произвольной наноструктурой (фото Nanfang Yu/ SEAS).

Авторы разработки поясняют, что она нарушает классические законы отражения и преломления. В них предполагается, что поверхность раздела двух сред с разным показателем преломления (стекло/воздух или воздух/вода) — это просто геометрическое понятие. С новой технологией такая поверхность (по принципу устройства – типичный метаматериал) становится активным элементом, своего рода третьей средой.

Происходит так потому, что металлические нанорезонаторы на неуловимо короткое мгновение задерживают электромагнитную волну в себе, прежде, чем отразить обратно или пропустить внутрь (в случае линзы). В случае со схемой под заголовком резонаторы слева удерживают волну чуть-чуть дольше, чем правые.

В результате создаётся разрыв (или сдвиг) фазы в ровном фронте лучей. Да ещё разрыв, который можно произвольно регулировать, меняя упомянутое время задержки света в той или иной точке поверхности.

Гарвардские исследователи вывели обобщённые уравнения, описывающие преломление и отражение света с учётом нанорезонаторов. Интересно, что при отсутствии градиента в параметрах этих самых резонаторов (если они по всему зеркалу одинаковы), новые законы оптики сводятся к существующим.

Учёные утверждают, что техника «phase discontinuity» позволяет создать плоские линзы, фокусирующие свет без аберрации и другие заманчивые вещи. (Подробности — в статье в Science и пресс-релизе университета.)