Возможность контролировать структуру частиц на наноуровне дает нам абсолютно новые методы контроля света. В моей лаборатории исследований веществ, используемых в электронике, в Северо-Восточном университете мы разрабатывали новые вещества, способные контролировать не только направление света, но и также скорость его проникновения. Обычные вещества, такие как стекло, имеют положительный показатель преломления. Они преломляют свет определенным образом. В 1960 году российский физик-теоретик Виктор Веселаго предвидел, что будет возможным создание новых веществ, имеющих отрицательный рефракционный индекс. Эта идея была неосуществима на протяжении почти 40 лет до того момента, как 10–15 лет назад были созданы новые материалы, демонстрирующие отрицательный рефракционный индекс, в соответствии с прогнозом Веселаго.
Оказалось, отрицательные рефракционные индексы полностью совместимы с законами физики, в том числе с уравнениями Максвелла. Они не нарушают никаких законов. Вещества, обладающие данными характеристиками, совмещают в себе отрицательные диэлектрическую и магнитную проницаемости. Они имеют отрицательный коэффициент преломления для некоторого спектра электромагнитных волн. Это первый способ создания данных веществ. Другой способ — взять вещество и сделать из него периодические решетки, называемые фотонными кристаллами. Фотонный кристалл похож на атомный кристалл, это периодическое распределение элементов, но не атомов, а оптических рассеивателей. В зависимости от используемого материала и расстояний между оптическими рассеивателями данные кристаллы можно сконструировать таким образом, что рефракционный индекс для определенного спектра световых волн будет либо положительным, либо отрицательным.
Что же замечательного в отрицательном рефракционном индексе? Это абсолютно новый способ проникновения световых волн. Все существующие в природе вещества обладают положительным рефракционным индексом. В некоторых материалах возможны определенные закономерности, способствующие отрицательному рефракционному индексу, но в природе их обнаружить не удалось. На данный момент они все искусственно созданы человеком. У подобных материалов может быть несколько применений. Во-первых, из плоского куска такого материала можно сделать линзу. Стекло на моих очках искривлено, потому что имеет положительный рефракционный индекс. Если сделать из стекла что-то плоское, к примеру окно, оно не будет фокусировать свет. Однако, если бы стекло обладало отрицательным рефракционным индексом, плоское окно или плоская линза могли бы фокусировать свет.
В 2003 году мы впервые продемонстрировали плоскую линзу. Статья, вышедшая в том же году в журнале Nature, была причислена к одним из самых прорывных статей 2003 года журналом Science. То, что происходит в материалах с отрицательным рефракционным индексом, поразительно. Источник света излучает электромагнитные волны на линзу из фотонных кристаллов, состоящих из оптических рассеивателей. Фотоны света вначале рассеиваются, а затем волшебным образом фокусируются с обратной стороны линзы. Эта плоская линза, имеющая отрицательный коэффициент преломления, имеет очень необычные свойства. Она не имеет оптического доступа. Вы можете расположить источник света в любом месте перед линзой и все равно увидите соответствующее изображение. Такого не происходит с обычными изогнутыми линзами. Другое интересное применение веществ с отрицательным рефракционным индексом заключается в том, что при их помощи можно достичь изображений со сверхразрешением, за пределами дифракционного лимита.
Дифракционный лимит существует потому, что у электромагнитного излучения имеется определенный спектр длин волн. Невозможно различить два объекта, расположенных ближе чем половина длины распространяющейся волны. Уникальное отличие материалов с отрицательным рефракционным индексом состоит в том, что они могут фокусировать не только распространяющиеся, но и эванесцентные волны. Если реконструировать такие волны, можно преодолеть дифракционный предел. Используя нанотехнологии, мы сконструировали материал, состоящий из металлических проводов, сделанных из золота, и диэлектрической алюминиевой матрицы. Данный материал можно использовать как линзу для инфракрасных электромагнитных волн. Мы показали, что, используя эту линзу, можно добиться изображения с разрешением в четверть длины волны, что существенно меньше дифракционного предела, половины длины волны. Следовательно, с этим материалом нам удалось добиться изображения со сверхразрешением.
Более того, при помощи материалов с отрицательным коэффициентом преломления можно контролировать скорость электромагнитных волн. Одной из целей оптических компьютеров является создание устройств, которые смогут делать вычисления при помощи света, а не электронов. На данный момент все наши компьютеры используют электронные схемы, но не фотоэлектронные. Оптические элементы для подобных целей также применимы. Однако есть одна проблема: скорость света слишком высока, поэтому очень трудно выполнять, к примеру, логические операции, для выполнения которых нужно хранить информацию. Для решения этой проблемы необходимо понизить скорость света, и материалы с отрицательным коэффициентом преломления предоставляют новые возможности сделать это. Мы предположили несколько интересных идей не только для замедления, но и для остановки света с помощью материалов с отрицательным коэффициентом преломления.
В широком смысле материалы с отрицательным рефракционным индексом — это новый тип оптических материалов, которые можно сконструировать при помощи нанотехнологий. Способность создавать наноматериалы и корректировать их на наноуровне является необходимой, поскольку длина световых волн составляет всего несколько сотен нанометров. Можно сконструировать большое количество наноматериалов с различными свойствами и использовать их для создания трансформирующих объектов. Такие объекты могут, к примеру, отклонять световые волны по заданным траекториям, сжимать и расширять световые пучки, фокусировать свет вне зависимости от направления его поступления. Самая большая трудность с наноматериалами с отрицательным коэффициентом преломления заключается в том, что необходимо, чтобы они абсорбировали минимальное количество света. Если материал поглощает много световых волн, следовательно, лишь небольшая доля из них проходит сквозь него. Один из способов, который мы рассматриваем для преодоления этой проблемы, — сделать так, чтобы наноматериалы усиливали свет, проходящий через них. Таким образом, наноматериалы не пассивны — это активные нелинейные материалы, способные усиливать свет, проходящий через них. При помощи этого усиления мы надеемся максимально избежать абсорбции света при прохождении им через наноматериалы.
