Достигнут рекордный отрицательный показатель преломления электромагнитных волн



Эксперимент, проведённый в Гарвардской школе инжиниринга и прикладных наук (SEAS), дал рекордный отрицательный показатель преломления для электромагнитных волн (при частоте в районе 1–10 ГГц).

Новый метод преломления света, основанный на ускорении электронов, обеспечивает результат в –700. Предыдущий рекорд был равен –5.

В вакууме свет, как известно, распространяется со скоростью 300 тыс. км/с. Если свет попадает в воду, стекло или любой другой более или менее прозрачный материал, скорость падает — обычно не больше, чем в пять раз. Эта величина — соотношение скорости света в среде и вакууме — называется показателем преломления. Для воздуха она чуть больше 1, для фианита — более 2,15. Материалы, в которых показатель преломления отрицателен, NNN освещает давно и упорно, что объяснимо: их развитие связано с возможностью создания суперлинз и как минимум частичной оптической невидимости.

Недавние гарвардские опыты, которыми руководил Дон Хи Хэм, принесли очень высокий отрицательный показатель преломления для электромагнитных волн с частотой в районе гигагерца. Это весьма широко используемый ультравысокочастотный диапазон, близко к которому работают и сотовые телефоны, и микроволновки. Хотя эксперимент удалось провести лишь при сверхнизких температурах (около 4 К), впервые можно говорить об успешном создании метаматериала, способного делать объекты невидимыми для радиоволн. Или использовать эффект суперлинзирования, позволяющий получать качественный приём слабого сигнала с небольшой по размеру антенной для радиоволн.



Вверху: камера экспериментальной установки, в которой был получен рекордный показатель отрицательного преломления электромагнитных волн. Внизу: камера, микроскоп и изображение образцов метаматериалов, получаемое микроскопом. (Фото Eliza Grinnell / SEAS).

Для достижения рекордного показателя физики использовали полупроводниковое устройство на базе гетероструктуры AlxGa1-xAs, тонких плоских полосок алюминий-галий-арсенида, уложенного поверх арсенида галлия. Затем после охлаждения из гетероструктуры был получен двумерный электронный газ, в котором частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму, создаваемую электрическим полем в области гетероперехода между алюминий-галлий-арсенидом и арсенидом галлия в гетероструктуре. Таким образом, технически перед нами очередной образец метаматериала, на этот раз основывающегося на гетероструктуре.

Как и в случае с нормальными материалами, показатель преломления такого двумерного электронного газа зависел от длины электромагнитной волны, которую он преломлял. Показатель –700 — наилучший среди достигнутых — был получен для длин волн в районе 1–10 ГГц. А это значит, что «суперлинза» для радиоволн в этом диапазоне может быть намного более миниатюрной (в сотни раз меньше длины волны), чем для всех предшествовавших экспериментальных суперлинз, создававшихся для оптического диапазона.



Профессор Дон Хи Хэм (слева) и аспирант Хо Санг Юн, один из ведущих авторов работы (фото Hosang Yoon).

Как объяснить столь большой показатель преломления? Авторы использовали квазиньютоновскую теоретическую модель: электромагнитная волна разгоняет электроны (в соответствии со вторым законом Ньютона), которые, в свою очередь, генерируют новую электромагнитную волну, перпендикулярную изначальной. Вместе эти волны порождают крайне высокий уровень отрицательного показателя преломления. Работает эффект только до тех пор, пока электроны не начинают интенсивно рассеиваться, — то есть при температуре жидкого гелия.

Обычно радиоволнами трудно управлять, из-за чего их нельзя собрать при помощи линз, как видимый свет, а фокусировка требует больших отражателей — вроде тех, что используются в радиотелескопах. Однако с новым метаматериалом фокусировка упростится. По словам исследователей, технологию манипулирования электромагнитными волнами по их теоретической модели можно будет использовать для других диапазонов, в частности для очень перспективного терагерцевого. Ради этого в ближайшем будущем они намерены использовать графен как аналог двумерного электронного газа. Важным преимуществом графеновых устройств станет возможность их работы при комнатной температуре, отмечают учёные.

Источник

«Это нормально не знать ответы на все вопросы. Лучше признавать свое невежество, чем верить в ответы, которые могут быть неправильными. Притворство что мы знаем все, закрывает дверь для понимания что же там на самом деле»

Нил Деграсс Тайсон

Файлы

Реникса

Острая стратегическая недостаточность

Внутренняя рыба

Основы первой медицинской помощи