Старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов
Х-materials-2: как ученые работают за природу
Старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Александр Краснок продолжает рассказывать о истории появления метаматериалов и о том, как они влияют и будут влиять на жизнь человека в будущем. В продолжении своего первого поста он пишет про витражи как оптическом «чуде» и объясняет, зачем ученые засунули рыбу в магнитно-резонансный томограф.
Электромагнитные метаматериалы
Электромагнитные метаматериалы имеют несколько более длинную историю, нежели механические метаматериалы, — их изучение продолжается с 2000 года. В этой области были выявлены такие поразительные эффекты, как отрицательная рефракция, обратные волны, преодоление дифракционного предела (субволновая микроскопия). Сейчас такие метаматериалы стали парадигмой для инжиниринга электромагнитных свойств материалов и контроля над распространением волн с помощью так называемой трансформационной оптики и оптически индуцированного магнитного отклика. В течение последних десяти лет мы стали свидетелями многих замечательных прорывов в области электромагнитных метаматериалов. Нужно отметить, что первые экспериментальные исследования метаматериалов проводились в микроволновом диапазоне электромагнитного поля, где методы фабрикации метаатомов отличаются своей простотой из-за того, что в этом диапазоне их размер составляет порядка 1 см. По этой причине область микроволновых метаматериалов является значительно более разработанной, а сами микроволновые метаматериалы уже находят конкретные области применения. Однако в течение последних нескольких лет концепция метаматериалов быстро продвигается в ТГц и оптические диапазоны частоты.
Электромагнитные метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал метаатомов с самыми различными геометрическими формами и химическим составом, которые модифицируют его электродинамические свойства. Для того, чтобы концепция метаматерилов работала, размеры метоатомов должны быть гораздо меньше, чем длина волны электромагнитного поля. Например, в видимой области спектра, где длина волны в свободном пространстве составляет 450−700 нм (например, свет с длиной волны 450 нм выглядит синим, а 630 нм — красным), размер метаатома должен быть меньше 100 нм. Таким образом, для создания оптических метаматериалов нужны самые настоящие нанотехнологии, которые позволяют изготавливать такие маленькие частицы (наночастицы) и располагать их правильным образом.
История нанотехнологий применительно для конструирования материалов с уникальными оптическими свойствами берет свое начало в глубокой древности. В качестве примера приведу так называемую чашу Ликурга, изготовленную в Древнем Риме в IV веке до н.э. Чаша интересна тем, что она состоит из стекла, которое меняет свой цвет в зависимости от направления падающего на нее света. Чаша выглядит зеленой, если ее освещать спереди, и красной, если освещать сзади. Разгадка этого эффекта была найдена только в середине прошлого века, когда выяснилось, что он связан со свойствами рассеяния металлических наночастиц (золота и серебра), с размерами от 50 до 100 нм. Таким образом, еще в глубокой древности люди обладали умением конструировать оптические материалы на наноуровне для получения желаемых оптических свойств. Это умение развивалось со временем, люди научились получать самые разные цвета, качество изготавливаемого стекла росло. Доказательством тому стало появление потрясающих произведений искусства — витражных стекол в европейских средневековых храмах.
В настоящее время, с развитием нанотехнологий, когда люди способны собирать материалы буквально по атомам, мы получили уникальные возможности к конструированию метаматериалов с уникальными оптическими свойствами, недоступными в природе. На рисунке ниже изображены различные типы метаатомов, используемые обычно для построения объемных метаматериалов. Хотя изображения этих материалов, полученные при помощи электронной микроскопии, выглядят не столь красиво с эстетической точки зрения, нежели представленные выше Чаша Ликурга и витражные стекла, спектр их практических применений не ограничивается искусством. Эти метаматериалы были специально разработаны и синтезированы для выполнения конкретных прикладных задач, таких как детектирование одиночных молекул, создание оптической линзы со сверхразрешением и вращение поляризации волны.
Научно-исследовательский центр Метаматериалов
Международный научно-исследовательский центр нанофотоники и метаматериалов проводит исследования в области метаматериалов и применяет их на практике с 2010 года. За это время сотрудниками центра было опубликовано порядка 400 работ в области исследования метаматериалов и смежных областях (нанофотоника, плазмоника). Расскажу о нескольких крайних работах. Первая работа касается области микроволновых метаматериалов и их применению в медицине. Вторая посвящена оптическим метаматериалам на основе гибридных наночастиц.
Первая работа, на которой я остановлюсь, направлена на исследования использования метаматериалов для улучшения характеристик магнитно-резонансных томографов. Магнитно-резонансный томограф — это устройство, позволяющее заглянуть внутрь тканей и органов и просканировать их с высоким разрешением. В настоящее время это самая распространенная методика медицинской диагностики. Однако современные томографы имеют разрешающую способность, недостаточную для диагностики ранних стадий различных заболеваний, в том числе выявления злокачественных раковых клеток. Стандартный метод улучшения характеристик МРТ-изображений, используемый в последние два десятилетия предполагает повышение уровня постоянного магнитного поля, что улучшает разрешение, однако требуемое время сканирования. Вместе с тем имеются существенные недостатки метода повышения постоянного магнитного поля: возрастает влияние на самочувствие пациентов, увеличивается опасность использования оборудования и громоздкость конструкции томографа. Кроме того, существенно растет стоимость создания и разработки таких томографов.
В Международном научно-исследовательском центре нанофотоники и метаматериалов был предложен принципиально иной подход к улучшению характеристик магнитно-резонансных томографов. Он основан на использовании уникальных электродинамических свойств метаматериалов в виде массива металлических проводов (на крайнем левом рисунке сверху). В работе было продемонстрировано значительное увеличение качества изображений, получаемых на томографе, живых тканей рыбы, расположенной на метаматериале (крайний правый рисунок) по сравнению с изображением, полученным при стандартной процедуре томографии (средний рисунок). Таким образом, метаматериалы позволяют улучшить качество изображений, получаемых на магнитно-резонансном томографе, и поэтому могут найти широкое применение в медицине. Результаты этих исследований были опубликованы в работе [Advanced Materials 28, 1832 (2016)].
Еще в одной работе ученые Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов продемонстрировали новый способ управления светом на наноуровне [Advanced Materials 28, 3087 (2016)]. В работе предложен новый тип метаматериалов, получивший название «гибридный метаматериал», состоящий из двух частиц — кремниевой и золотой. Совмещение диэлектрической и металической наночастиц в виде единого метаатома существенно расширяет спектр физических свойств таких метаматериалов. Авторы экспериментально показали, что при помощи лазера можно аккуратно изменять форму золотой частицы, при этом практически не влияя на кремниевую наночастицу. Такое изменение формы золотой наночастицы приводит к изменению оптических свойств метаатома и отражается на свойствах гибридного метаматериала. Результаты этой работы будут использоваться в современных фотонных технологиях, нуждающихся в создании метаатомов с возможностью их плавной «настройки», а также для сверхплотной записи информации.
Будущее не за горами
Программа исследований в области метаматериалов в настоящее время смещается в сторону перестраиваемых, переключаемых, нелинейных и сверхчувствительных функциональных метаматериалов и их приложений. Кроме того, начиная с 2012 года, исследования сдвинулись в сторону практической реализации и развития реальных устройств на основе метаматериалов. Такие метаустройства открыли технологически важные возможности, начиная от реализации химической лаборатории на чипе до проектирования оптических компьютеров. Некоторые прототипы таких устройств уже были продемонстрированы, а значит, будущее уже не за горами.
Уникальные электромагнитные свойства метаматериалов привлекают значительное внимание исследователей из самых разных дисциплин. В свою очередь, это вызывает объединение знаний и опыта из различных областей, способствуя дальнейшему продвижению исследований в области метаматериалов. И теперь мы знаем, что, имея полную свободу контроля над свойствами материалов, то, что мы могли бы делать дальше — ограничивается только нашим воображением.