Анатомия светового луча

Пирамида с использованием метаматериала на ее поверхности: падающий свет генерирует электрический сигнал, но возможен и обратный процесс. Иллюстрация Physorg

Название книги Аристотеля, следовавшей за «Физикой», не сохранилось, поэтому ей дали имя «Мета-Физика» (дословно «За физикой», сравните: «Мефодий», или Мета-Ходос – «идущий следом», последователь, эпигон). Греческая приставка «мета» была использована для названия метаматериалов, которые используют свойство полупроводников превращать энергию света в электрический сигнал. Нечто подобное наблюдается в полупроводниковых квантовых точках, которые обращают в свет перепады электрического потенциала в живой клетке.

Сотрудники Венского технологического университета объединили в своем новом устройстве, о котором сообщили в журнале Science Reports, метаматериалы и так называемый квантовый каскад. Устройство способно улавливать ничтожные количества инфракрасного света терагерцовой частоты (с длиной волны в десятые доли миллиметра и частотой в тысячи миллиардов колебаний в секунду), который взаимодействует с электронами, генерируя электрический ток. Преимуществом новой технологии является то, что она при наличии перепадов напряжения может давать невидимое глазу тепловое излучение.

Новый девайс напоминает знаменитые индейские пирамиды Мезоамерики с покатыми уступами. Сотрудники университета так подобрали толщину и геометрию полупроводниковых слоев, что получили возможность осуществлять тонкую настройку свойств электронов! Новая технология позволит создать лазеры квантового каскада, названные так за способность испускать фотон при каждом перескоке электрона из слоя в слой. Двигаясь в обратном направлении, ученые прогнозируют создание сверхчувствительных спектроскопов, настроенных исключительно на одну конкретную частоту световой волны (ее «цветность»).

До сих пор квантовая физика запрещала некоторым фотонам поляризованного света взаимодействовать с электронами полупроводников. Поляризованный свет «окрашивает» стекла небоскребов в разные цвета, играет на крыльях бабочек и в очках 3D-имаксов. Геометрические параметры использованных в Вене метаматериалов имеют периодичность, которая меньше длины волны падающего света. Это позволило изменять угол его поворота (поляризацию) с тем, чтобы он распознавался полупроводником. Особенностью метаматериалов является их способность менять поляризацию света на своей поверхности: фотоны при этом начинают взаимодействовать с электронами в полупроводнике. Микроэлектронная промышленность уже сегодня легко фабрикует нанометровые слои, что позволит «печатать» подобного рода детекторы, толщина которых в тысячи раз меньше улавливаемого ими инфракрасного света.

Зеркала добросовестно отражают падающий на них свет. Сверхтонкий слой серебряной или иной металлической подложки делает их полупрозрачными (такие зеркала мы видим в сценах допросов разного рода детективов). В Массачусетском технологическом институте (MIT) создали зеркало из 84 перемежающихся слоев стекла и диоксида титана – TiO2, которое при определенных условиях становится прозрачным «окном». Достигается это сменой отражения на прохождение поляризованного луча света, падающего на поверхность устройства под определенным углом. Подобное явление в оптической физике называется фильтром направления.

Оптики и раньше умели проводить подобного рода фокусы, удивляющие публику (однако речь шла только об определенных частотах или углах поляризации). В MIT впервые сумели достичь того же эффекта для всего видимого спектра. Авторы статьи в журнале Science полагают, что созданное ими устройство позволит избирательно вычленять свет далеких, плохо видимых небесных объектов, заслоняемых более яркими звездами и их скоплениями. Тот же принцип относится и к камерам наблюдения, радарам и решению других задач, в частности созданию более эффективных солнечных батарей. Они будут пропускать лишь свет определенной цветности, который с максимальной эффективностью пойдет на генерирование электрического тока.

Есть, правда, одно осложнение. Новый оптический трюк работает в специальной жидкости, имеющей то же преломление, что и стекло. Однако авторы видят спасение в замене стекла на аэрогель, имеющий то же преломление, что и воздух. Сегодня этот легковесный материал используется в качестве теплоизолятора в скафандрах космонавтов.