Представлен модельный метаматериал, способный создавать «гигантскую» поперечную оптическую силу

Учёные из Миссурийского научно-технического университета (США) предсказали существование нового класса щелевых волноводов, которые генерируют поперечную оптическую силу, которая в 100–1 000 раз больше, чем у стандартных кремниевых щелевых волноводов.

Схема смоделированного метаматериала на основе серебра и германия. По расчётам, он способен создавать поперечную оптическую силу, в 100 раз бóльшую, нежели обычные щелевые волноводы. (Здесь и ниже иллюстрации Jie Gao et al.)

Физики Цзе Гао и Сяо Дун Ян смоделировали свойства наномасштабных щелевых волноводов в метаматериалах, представленных слоями металл — диэлектрик. При этом удалось выяснить, что использование двух взаимодействующих щелевых волноводов размерами 30×40 нм приводит к возникновению поперечной оптической силы, на два–три порядка большей того, что когда-либо регистрировалось для существующих волноводов. По мнению исследователей, нет никаких практических препятствий для экспериментального достижения таких значений.

Напомним: поперечной оптической силой (transverse optical force) называют обнаруженное в 2008–2009 гг. свойство лучей света притягивать и отталкивать друг друга, в котором ось воздействия силы перпендикулярна направлению луча. Она не наблюдается в макромасштабах, однако в наноприборах размером с транзистор такая сила, к примеру, может быть использована для переключения состояний устройств оптической электроники.

Уровни поперечной оптической силы, достигаемые смоделированным щелевым волноводом при различных условиях.

Подобные материалы, считают авторы работы, могут найти применение не только в очередном аналоге оптических пинцетов, но и при создании медицинских микромеханических устройств, в сенсорах или оптических компьютерах, а также в качестве наноактуаторов (исполнительных устройств) в микроэлектромеханических системах (МЭМС).

Смоделированный метаматериал «состоял» из серебра (металл) и германия (диэлектрик), размещённых в «слоистой» структуре. Два построенных из него щелевых волновода должны иметь между собой небольшой воздушный зазор. При одновременной работе они создают оптическую силу, перпендикулярную направлению передаваемых ими лучей.

В ближайшее время физики, вооружившись сканирующим электронным микроскопом с фокусированным ионным пучком, намерены экспериментально проверить способность такого рода метаматериала производить «гигантские» оптические силы.

Соответствующее исследование опубликовано в изданиях Optics Express и Journal of the Optical Society of America. Его препринт доступен здесь.

Подготовлено по материалам Миссурийского научно-технического университета.