Метаповерхности

Какие существуют проблемы в производстве метаматериалов? В чем заключается эффект оптической невзаимности? Как развитие метаповерхностей может повлиять на улучшение параметров объектива? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Василий Климов.

В настоящее время очень активно исследуется создание метаматериалов, в которых атомы заменены на металлические или какие-то другие элементы, которые называются метаатомами. Но есть очень большая проблема: метаматериалы очень трудно производить. Современные технологии позволяют их делать, но это очень дорого стоит. С другой стороны, оказывается, что если взять какую-то поверхность и довольно хитрым, но известным образом разместить на ней металлические частицы, диэлектрические частицы, то свойства этой поверхности будут очень интересными. Такие поверхности называются метаповерхностями, или метапленками. Метаповерхности произвольным образом изменяют фронт и фазу падающего на них света. Обычно для того, чтобы изменить фронт света, используются линзы. Они используются в фотоаппаратах, фотокамерах, до наибольшего развития линзы дошли в телескопах, в космических телескопах. С их помощью можно управлять световым фронтом, но это управление занимает очень большой объем в пространстве и очень много весит. Оказывается, что такие линзы можно заменять метаповерхностями. С другой стороны, на основании метаповерхностей можно создавать практически неограниченное количество устройств. Размеры всех существующих в настоящий момент оптических систем (фильтры, детекторы, облучатели, солнечные батареи) можно существенно уменьшить за счет использования метаповерхностей.

В экспериментальной части нашей лаборатории мы разрабатываем метаповерхности другого сорта. Вместо того чтобы помещать на какую-то поверхность наночастицы, мы делаем в металлической пленке отверстие специальной формы и исследуем, как свет проходит через эту поверхность при облучении с одной и с другой стороны. Нами обнаружен чрезвычайно интересный эффект: на первый взгляд совершенно незаметные отверстия, размером в несколько десятков или сотен нанометров, могут эффективно пропускать свет. Но еще более интересно то, что, с одной стороны, такая пленка пропускает свет, а с другой стороны — не пропускает. Это называется эффектом оптической невзаимности, или эффектом оптического диода. Представьте, как многие московские водители будут рады, если у них будет такая пленка. Они обклеивают автомобиль такой пленкой и всё хорошо видят, даже в темноте, потому что свет снаружи машины хорошо проникает внутрь машины, но снаружи машина будет казаться абсолютно черной, и никакие люди со злыми мыслями не смогут увидеть, что в ней лежит на заднем сиденье.

Мечта нашей лаборатории — улучшить свойства оптических систем. И фотоаппараты, и телескопы, и все оптические системы занимают большой объем. Объектив имеет очень большой размер. Там находятся десятки или сотни линз. Одна линза исправляет недостатки другой. Метаповерхности, которые расположены на плоскости толщиной в несколько десятков нанометров, могут быть рассчитаны и изготовлены таким образом, что они заменят все наши объективы, то есть вместо толстого объектива у нас фактически будет метапленка, которая может адаптивно менять свои свойства, и за ней будет такая же метапленка, но в качестве записывающей матрицы. Все оптические устройства станут очень тонкими, потому что сейчас главное ограничение хорошего оптического устройства — это объектив.