Из чего сделаны все эти «мета»

По аналогии с веществом, состоящими из атомов, метаповерхность представлена набором метаатомов. Параметры этих структурных единиц (их форму, размеры, свойства) можно настраивать отдельно, тем самым меняя свойства всего материала.

Современные технологии позволяют создавать нанометровые объекты заданной формы в хорошем качестве. Работая со структурными единицами материала на таком уровне, ученые могут конструировать метаповерхности толщиной всего в один слой метаатомов. При этом устройство по рабочим характеристикам не просто не уступает, но порой и превосходит используемые сейчас аналоги.

Что такое анаполи и почему они «невидимые»

В 2015 году в журнале Nature Communications вышла статья «Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles», в которой ученые создали полностью прозрачные для электромагнитных волн в видимом диапазоне диэлектрические наночастицы в анапольном состоянии. Они представляют собой неизлучающие частицы, способные на определенной длине волны практически не рассеивать свет. То есть падающее излучение как бы проходит сквозь анаполь — при определенных условиях он становится «невидимым».

Чтобы найти анапольное состояние в наночастицах, ученые моделируют объект и затем постепенно варьируют его геометрические размеры, показатель преломления (материал из которого он состоит), длину падающей электромагнитной волны. Изменяя параметры, физики получают уникальную конфигурацию. Одной из таких стал гибридный анаполь.

Кого «скрестили» ученые и почему это важно

В анапольном состоянии у наночастиц минимумы рассеивания для каждого мультиполя разные — а для некоторых мультиполей они могут отсутствовать вовсе. В новом исследовании команда ученых Нового физтеха, Института нанотехнологий микроэлектроники РАН и Рижского технического университета смоделировала нанорассеиватели в гибридном анапольном состоянии, в котором минимумы каждого мультиполя сосредоточены на одной длине волны. Из гибридных анаполей ученые собрали метаповерхность и выяснили, что она обладает еще одним уникальным свойством: метаатомы практически не взаимодействуют с подложкой, на которую их напыляют, а также друг с другом.

Таким образом, гибридный анаполь в определенном электромагнитном спектре практически «невидим» для падающего излучения. Достигается это за счет уникальной геометрии.

«В плане производства намного удобнее, когда метаповерхность состоит из одинаковых метаатомов, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга. Но сейчас перспективны исследования по созданию материалов, в которых метаатомы имеют разную форму, размеры и дезориентированы на подложке относительно друг друга. В этом смысле наши частицы играют огромную роль, потому что мы можем передвигать их как хотим — с “соседями” они взаимодействовать не будут. Особые свойства многих современных метаповерхностей связаны как раз с тем, что структурные единицы в них друг с другом связаны. Мы же предлагаем настраивать эффекты на каждом метаатоме, получая в масштабах материала их результирующую», — комментирует соавтор статьи, аспирант Нового физтеха ИТМО Алексей Кузнецов.

Где можно применить разработку и что предстоит еще исследовать

В своей работе исследователи показали, что если незначительно менять характеристики анапольной частицы (например радиус цилиндра), то фаза проходящей сквозь нее волны будет немного изменяться, в то время как сам материал останется в окне прозрачности. За счет этих свойств такие метаповерхности можно использовать, например, в фазовращателях.

Сегодня экономически выгоднее изготовить линзу из стекла, чем настраивать нанометровые метаатомы и изготавливать из них метаповерхности. Основная проблема в том, что используемые для этого технологии достаточно дорогие. В то же время не хватает вычислительных мощностей — ведь прежде чем создать работающий прототип, нужно учесть огромное количество факторов. Поэтому сейчас ученые занимаются в основном теоретическими наработками.

«Метаматериалы уже широко используют, например, в радиофизике. Сейчас индустрия нацелена на то, чтобы активно внедрить их в фотонику. Думаю, что наша работа продолжится в исследовании практического применения гибридных анаполей», — отмечает Алексей Кузнецов.

Сейчас исследователи ищут партнеров, которые бы могли помочь с реализацией модели на практике. Так выдвинутые на основе расчетов гипотезы можно будет подтвердить уже на реальном физическом объекте.

Работа была поддержана грантом РФФИ 20-52-00031. Подробнее об исследовании: Alexey V. Kuznetsov, Adrià Canós Valero, Mikhail Tarkhov, Vjaceslavs Bobrovs, Dmitrii Redka, and Alexander S. Shalin, Transparent hybrid anapole metasurfaces with negligible electromagnetic coupling for phase engineering (Nanophotonics, 2021).