Построена модель графеновой гиперлинзы

Трое физиков из Дании и Германии составили теоретическое описание графеновой гиперлинзы, которая будет действовать в терагерцевой области спектра.

Неионизирующее терагерцевое излучение занимает область между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами, не наносит вреда организму человека и легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами: дерево, пластик или ткань для него прозрачны, а металл и вода — нет. Принято считать, что быстроразвивающиеся методики работы с этим излучением составят серьёзную конкуренцию традиционным подходам к спектроскопии и проектированию систем безопасности и биомедицинских приборов.

Терагерцевая частота, однако, соответствует довольно большой длине волны (1 ТГц отвечает 300 мкм), и при формировании изображений естественный дифракционный предел серьёзно ограничивает их качество. Преодолеть его помогают искусственные материалы (метаматериалы) и созданные на их основе линзы — скажем, линзы с отрицательным показателем преломления, ещё в 2000 году рассмотренные английским теоретиком Джоном Пендри, или интересующие нас гиперлинзы. Последние способны конвертировать исчезающие волны (которые несут подробную информацию об исследуемом объекте, но, в полном соответствии с названием, «исчезают» на небольшом расстоянии от него и не обнаруживаются традиционными линзами) в обычные распространяющиеся и увеличивать подробное изображение, чтобы его мог захватить микроскоп.

Для создания гиперлинзы необходим материал с целым набором не самых распространённых характеристик, причём знаки поперечной и продольной составляющих эффективной диэлектрической постоянной у него обязательно должны быть противоположны. Обычно метаматериалы с такими параметрами получают путём чередования диэлектрических и металлических слоёв нанометровой толщины (к примеру, для построения гиперлинзы, работающей в оптическом диапазоне, американским учёным понадобилось тридцать два 35-нанометровых слоя Al₂O₃ и Ag). Этот тип конструкции хорошо показал себя на практике, но при использовании металла о регулировке устройства после его изготовления приходится забыть.

Элементарная ячейка графенового метаматериала и поведение двух составляющих эффективной диэлектрической постоянной при разных величинах W (иллюстрация авторов работы).

Некоторые характеристики графена, напротив, легко изменяются под действием магнитного или электростатического поля, что и привлекло авторов. Свой вариант гиперлинзы они хотят построить из однотипных диэлектрических элементов в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами a_x×a_y×a_z = 0,2×0,05×1 мкм, в который будет введена графеновая полоска шириной W. Проведя расчёты для нескольких величин W, физики остановились на ширине полоски в 40 нм и рабочей частоте в 6 ТГц (длине волны в 50 мкм).

Моделирование работы трёхмерной гиперлинзы, составленной из таких блоков, показало, что она уверенно разрешает два источника, находящихся на расстоянии 10 мкм, пятикратно уступающем длине волны. Увеличение, которое даёт линза, зависит от её размеров и геометрии; вполне можно добиться того, чтобы на выходе дистанция между изображениями упомянутых точечных источников увеличивалась до сотни микрометров, доступной терагерцевым камерам.