1. Идея о создании искусственных кристаллов
Что такое реальные кристаллы, мы себе представляем. Кристалл — это твердое тело, в котором периодическим образом расположены атомы, вызывающие движение электронов по совершенно необычным направлениям. Есть так называемые запрещенные зоны для энергий, где электроны не могут существовать в данной области, а могут только в разрешенных областях. Это приводит к тому, что существуют, например, полупроводниковые кристаллы, то есть существует запрещенная зона для электронов, есть разрешенная зона проводимости, есть валентная зона. Это кристаллы.
Около 25 лет назад была высказана идея о том, чтобы искусственным образом создать структуры, похожие на кристаллы, но только не для электронов, а для электромагнитных волн. Известно, что электромагнитные волны, как и любые другие, обладают корпускулярно-волновым дуализмом, то есть они одновременно являются и частицами, и волнами. То же самое можно говорить и об электроне.
Электрон — это частица, но она обладает свойствами обычной волны. Поэтому электромагнитные волны обладают свойствами частиц, такие частицы называются квазичастицами, в частности фотонами. В связи с этим была предложена идея — создать кристалл со свойствами для электромагнитных волн или для фотонов, точно такими же, как у обычных кристаллов для электронов. Для этого нужно было создать некоторую периодическую структуру, в которой электромагнитная волна, заходя в нее, начинала бы распространяться по совершенно необычным направлениям согласно каким-то специальным законам, и все это было бы связано так, будто это происходит с электронами в реальных кристаллах.
Так появилась идея создания фотонных кристаллов. Для этого нужно было двигаться в область микро- и нанотехнологий, потому что, если говорить о фотонных кристаллах, длина волны видимого света составляет порядка 0,5 микрона. Периодичность этого кристалла должна была быть такой же, как и длина волны, поэтому нужно было создать структуры, которые имели бы пространственную неоднородность около 0,5 микрон.
2. Как распространяется электромагнитная волна
К 80-м годам XX века у ученых уже были такие технологии, поэтому они очень быстро научились создавать периодические структуры, которые напоминали собой обычные кристаллы, но были кристаллами для фотонов или квазикристаллами для распространяющихся волн.
Во-первых, электромагнитная волна может производить давление. Наш великий ученый Петр Николаевич Лебедев еще в 1899 году доказал, что свет обладает давлением, а раз свет давит, то это действительно частица, потому что частица ударяется обо что-то, давит, значит, это реальная частица.
Во-вторых, интересно то, что свет может распространяться прямолинейно. Конечно, он может искривляться, если попадает в какую-то среду, но под углом 90 градусов он не будет распространяться, он будет отражаться. Оказалось, что если создать фотонные кристаллы, то фотон как частица, обладающая квантово-механическими свойствами, то есть свойствами, которые находятся на запредельном для общего понимания уровне, связанном с квантовой механикой, может распространяться совершенно необычно, например под углом 90 градусов, под тупым углом или под острым. В обычных кристаллах, в обычных полупроводниках, есть зона проводимости, валентная зона, запрещенная зона, где энергия для электронов не разрешена. Но если это не собственный полупроводник, а с примесями и какими-то добавками, то эти примеси позволяют электронам или дыркам захватываться этими примесями и создавать в запрещенной зоне необычные состояния, целые подзоны. Электроны могут захватываться, дырки могут освобождаться, то есть образовывать новое явление для движущихся электронов.
3. Распространение волны в фотонных кристаллах
То же самое можно сделать и в фотонных кристаллах. В этой периодической искусственно созданной структуре можно создать некоторые элементы, которые будут захватывать волну даже в том случае, если волна там распространяться не может. Это совершенно аналогично тому, что происходит в обычных кристаллах. Поэтому выяснилось, в частности, что опалы и структура крыла бабочек состоят из созданной природой периодической структуры. Эта структура позволяет свету распространяться, быть отраженным или же распространяться по совершенно необычным законам. Белый свет, который мы видим, как известно, состоит из спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Отдельные элементы — спектральные области этого света — могут быть поглощены, а могут быть отражены фотонным кристаллом.
4. Фононные и магнонные кристаллы
Фотон — это квазичастица электромагнитной волны. Но существуют и другие волны, например акустические. Сейчас они широко применяются в электронике. Квазичастицы этих акустических волн называются фононами, поэтому соответственно фотонным кристаллам была предложена идея создания фононных кристаллов.
Существуют магнитные вещества, в них распространяются спиновые волны — это волны магнитного момента, их квазичастицы называются магнонами. Появилась идея создания магнонных кристаллов — периодических структур в магнитных веществах, которые позволяют магнонам распространяться по законам, соответствующим законам распространения электромагнитных волн в фотонных кристаллах и акустических волн в фононных кристаллах.
Что такое фононные кристаллы? Все мы пользуемся мобильными телефонами, слушаем радио и не задумываемся о том, что там внутри. Для того чтобы преобразовать и обработать электромагнитную волну, существуют специальные элементы, так называемые фильтры волн, частотные фильтры, которые выделяют определенную частоту.
5. Частота работы мобильных телефонов
Сейчас наши мобильные телефоны работают на частоте 1,9 гигагерц, и мы не задумываемся, что это за частота. Оказывается, она зависит от того, какие акустические волны распространяются в фильтрах. Чтобы сделать искусственно действующий фильтр, нужно создать некоторую периодическую структуру, которая будет позволять акустической волне распространяться именно на данной частоте. И если частота почему-то сдвинется, то мы ничего не услышим, фильтр не будет работать.
Фононные кристаллы уже созданы и используются всеми нами в реальной жизни. Мы не представляем себе, почему работает мобильный телефон, а оказывается, что все это берет свое начало от периодических структур, созданных природой.
Что касается магнитных волн, они совершенно необычные, потому что связаны с тем, как магнитный момент распределен в магнитном веществе, что с ним можно сделать, как его можно заставить изменяться в пространстве и времени с помощью внешнего магнитного поля. Это может быть легко сделано, но оказывается, что скорости распространения таких спиновых волн гораздо выше, чем, например, скорости распространения акустических волн, и гораздо ниже, чем скорости распространения электромагнитных. Можно создавать искусственные структуры, которые позволят обрабатывать самым необычным образом электромагнитные сигналы. Все это удалось сделать буквально в последние десятилетия, когда произошел пик развития фотонных, фононных и магнонных кристаллов.
6. Метаматериалы
Есть еще одно очень интересное понятие — это метаматериалы. Эти материалы создаются искусственно и имеют свойства для распространяющихся волн, которые не существуют в природе. Фотонные и подобные им кристаллы тоже обладают такими свойствами. То есть можно заставить свет или другую волну, акустическую или магнитную, распространяться и отражаться по законам, которые противоречат законам обычной оптики, акустики или магнетизма. И все это может сделать человек.
Свойства распространяющихся волн в таких структурах, фотонных кристаллах и метаматериалах, не подчиняются законам обычной оптики, они им противоречат, но не противоречат тому, что создается руками человека. Эти новые структуры основаны на абсолютно новом знании, и главное, что это знание появилось буквально в последние десятилетия. На мой взгляд, за этими структурами очень многое, а именно за технологиями их создания и способами их применения.
