Znajdź zawartość

Metamateriały o ujemnym współczynniku załamania światła - dla osób, które nie pamiętają już dobrze szkolnych lekcji fizyki, nie brzmi to ciekawie. Ale wystarczy zrozumieć, co się za tym naukowym określeniem kryje, żeby poczuć się jak w bajce o czapce niewidce. Kiedy patrzymy na łyżeczkę włożoną do szklanki z herbatą, wydaje się ona złamana. Kiedy tę łyżeczkę wrzucimy do garnka z wodą, będzie nam się wydawało, że leży ona wyżej, niż faktycznie. To właśnie jest zjawisko załamania światła - światło (ale także każda fala elektromagnetyczna i każda fala w ogóle: na przykład dźwiękowa) zmienia swój kierunek podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego, na przykład z powietrza do wody i na odwrót. O tym jak bardzo łyżeczka będzie dla nas „wygięta" lub jak wysoko podnosi się dno naczynia z wodą, mówi nam współczynnik załamania dla danego materiału. Współczynnik równy jeden oznacza, że światło nie załamuje się wcale. Im jest większy, tym załamanie większe. Może on być, choć to zdarza się rzadko, mniejszy od jedności - wówczas łyżeczka „wygnie się" w drugą stronę a dno będzie niżej, zamiast wyżej. To właśnie temu zjawisku zawdzięczamy działanie soczewek a więc także lunet, teleskopów, obiektywów fotograficznych, itd. Materiały o współczynniku załamania mniejszym niż jeden są szczególnie przydatne w takich zastosowaniach i zawsze chętnie poszukuje się nowych. Stosunkowo niedawno wymyślono teoretycznie „metamateriały" - materiały, których współczynnik załamania światła jest mniejszy od zera. Wcześniej nie pomyślano by nawet, że coś takiego jest możliwe, bo jak by to działało? Łyżeczka zanurzona w takim metamateriale wydawałaby się wystawać z wody a dno wydawałoby się wyżej niż powierzchnia płynu. A jednak coś takiego jest możliwe! Cuda - niewidy Sama możliwość istnienia takich „cudownych" materiałów jest ekscytująca. Nowe rodzaje znacznie doskonalszych przyrządów optycznych: mikroskopy, teleskopy, lepsze obiektywy fotograficzne, komputery optyczne. Możliwe teoretycznie jest skonstruowanie materiału, który będzie dawał niewidzialność przedmiotom, wokół których się go owinie. Znając teoretycznie strukturę, jaka dawałaby te efekty, zaczęto prace. Na początku udało się stworzyć taki metamateriał działający jedynie dla promieniowania mikrofalowego. Było to w 2004 roku. To był dowód, że pomysł nie jest wyssany z palca. Z uzyskaniem tego samego dla światła widzialnego było trudniej. Powód jest prosty: im mniejsza długość fali, tym mniejsze muszą być elementy metamateriału. Dla mikrofal łatwo było stworzyć strukturę metalowych elementów o rozmiarze około centymetra. Dla światła widzialnego muszą one mieć poniżej 250 nanometrów... Odpowiedź jest oczywista: nanotechnologia. I rzeczywiście, już w 2005 roku powstały pierwsze metamateriały optyczne. Niestety, pochłaniały one tak dużą część światła, że nie nadawały się do żadnego praktycznego zastosowania. Były jedynie naukową ciekawostką. Trwające wiele lat prace na Uniwersytecie Purdue w amerykańskim stanie Indiana przyniosły wreszcie efekty. Naukowcy pracujący w uniwersyteckim Birck Nanotechnology Center osiągnęli przełom: metamateriał optyczny, który nie tylko przepuszcza większość padającego światła, ale może nawet służyć jako optyczny wzmacniacz. Opracowany materiał ma postać cienkiej, perforowanej błony. Składa się ona z warstwy tlenku aluminium pomiędzy dwiema warstwami srebra a całość ma strukturę sieci z otworami o średnicy około 100 nanometrów. Część tlenku aluminium jest wytrawiona i zastąpiona „czynnikiem wzmacniającym" w postaci kolorowego barwnika wymieszanego z klejem epoksydowym. To dzięki niemu osiągnięto efekt wzmacniania światła. Problemem było nie tylko znalezienie odpowiedniego materiału barwnikowego, ale również usunięcie jak największej części tlenkowo-aluminiowej błony bez zniszczenia jej struktury. Nowym pomysłem jest też umieszczenie tej warstwy wewnątrz błony - dzięki temu ma ona pięćdziesięciokrotnie lepsze właściwości, niż umieszczona na powierzchni, jak to robili inni naukowcy. Zmniejszenie współczynnika pochłaniania światła do milionowej części poprzedniej wartości i możliwość wzmacniania światła to przełom na drodze do praktycznych zastosowań. A tych będzie wiele: płaskie supersoczewki, mikroskopy optyczne pozwalające dostrzegać nici DNA, „koncentratory światła" w panelach słonecznych, nowe rodzaje czujników, układy przetwarzające dane optycznie, zamiast elektrycznie (czyli optyczne komputery), wreszcie materiały tak zakrzywiające światło, że stają się niewidoczne. Poza oczywistym doskonaleniem wynalazku i pracą nad przemysłowym wytwarzaniem - na co pewnie jeszcze poczekamy - autorzy studium planują zastąpić źródło światła źródłem prądu, analogicznym do półprzewodnikowych laserów. Głównymi autorami sukcesu są Hsiao-Kuan Yuan - doktorant Purdue, obecnie pracownik firmy Intel oraz Shumin Xiao, który kontynuuje prace. Współautorami są ponadto Vladimir P. Drachev, Alexander V. Kildishev, Xingjie Ni, Uday K. Chettiar oraz Vladimir M. Shalaev.

Zespół pracujący pod kierownictwem Ji-Ping Huanga z Uniwersytetu Fudan w Szanghaju zaproponował teoretyczną "płynną czapkę-niewidkę". Pomysł Chińczyków może stać się składnikiem, ułatwiającym produkcję metamateriałów. Ji-Ping Huang proponuje umieścić w wodzie 10-nanometrowe kulki magnetytu pokryte 5-nanometrową warstwą srebra. Kulki należałoby połączyć za pomocą polimerowych łańcuchów, co zapobiegnie ich zbijaniu się w gromady. W normalnych warunkach takie kulki będą swobodnie unosiły się na powierzchni wody. Jeśli jednak poddamy je działaniu pola magnetycznego, cząstki spontanicznie ułożą się w łańcuchy, których długość będzie zależała od siły pola. Łańcuchy będą się przyciągały, tworząc szerokie kolumny. Łańcuchy i kolumny będą układały się wzdłuż kierunku linii pola magnetycznego. Jeśli będą zorientowane pionowo, wówczas uzyskają ujemny indeks refrakcji, zaginając światło w odwrotną stronę, niż dzieje się to w normalnych warunkach. Chińczycy przeprowadzili symulowane doświadczenia dla trzech długości światła czerwonego i podczerwonego. Inni specjaliści mówią, że zaprezentowana teoria jest przekonująca, ale to nadal teoria. Huang wraz z Xiang Zhangiem z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley pracują teraz nad stworzeniem płynnego metamateriału.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley po raz pierwszy w historii stworzyli trójwymiarowe materiały, które mają negatywny indeks refrakcji dla światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. Materiał zagina światło w odwrotnym do naturalnego kierunku. Odkrycie pozwoli na stworzenie lepszych technologii optycznych, układów scalonych dla wysoko wydajnych komputerów oraz na uczynienie przedmiotów niewidzialnymi dla ludzkiego oka. Już wcześniej inne zespoły badawcze stworzyły metamateriały zapewniające niewidzialność, jednak dopiero odkrycie z Berkeley pozwala na zastosowanie jej w praktyce. Dotychczas bowiem metamateriały albo były dwuwymiarowymi warstwami atomów, których właściwościami nie mogliśmy manipulować, albo też, w przypadku materiałów 3D, wykazywały one ujemny indeks refrakcji tylko w przypadku niewidzialnego dla oka promieniowania mikrofalowego. My stworzyliśmy trójwymiarowy metamateriał, który ma ujemny indeks refrakcji w paśmie widzialnym - mówi profesor Xiang Zhang, którego zespół opracował nowe materiały. Ludzkie oko widzi światło o długości fali od 400 do 700 nanometrów. Tymczasem struktura metamateriału, by nadać mu ujemny indeks refrakcji, musi być mniejsza niż długość fali. Nic więc dziwnego, że łatwiej było uzyskać metamateriały zaginające fale o długości od 1 milimetra do 30 centymetrów. Uczeni z UC Berkeley stworzyli nowy metamateriał łącząc srebro z fluorkiem magnezu. Następnie ponacinali go tak, by powstała matryca składająca się z miniaturowych igiełek. Zauważono zjawisko ujemnej refrakcji przy falach o długości 1500 nm (bliska podczerwień). Jason Valentine wyjaśnia, że warstwy przewodzącego srebra i nieprzewodzącego fluorku magnezu działają jak obwód. Naprzemienne ułożenie obok siebie takich obwodów powoduje, że odpowiadają one na docierające do nich światło w kierunku przeciwnym do jego pola magnetycznego. Ponadto metamateriał absorbuje minimalną ilość światła. Innymi słowy, materiał składa się z silnie reagujących na światło nanoobwodów, które jednocześnie niemalże go nie pochłaniają. Naturalne materiały nie reagują na pole magnetyczne światła, ale nasz metamateriał to robi. Po raz pierwszy stworzyliśmy więc materiał, o którym można powiedzieć, że wykazuje magnetyzm optyczny, co oznacza, że zarówno pole elektryczne jak i magnetyczne fali światła poruszają się w nim w odwrotnym kierunku - mówi Valentine. Kolejny z metamateriałów został stworzony ze srebrnych nanowókien, które wzrastały na porowatym podłożu z tlenku glinu. Na nim zaobserwowany odwrotne odbicie dla fali długości 660 nanometrów. Po raz pierwszy więc zauważono go dla światła widzialnego. Geometria pionowych nanowłókien, które są do siebie równoległe i jednakowo odległe jedno od drugiego, została zaprojektowana tak, by całość reagowała tylko na pole elektryczne fali świetlnej - mówi Jie Yao, kolejny z autorów badań. Z kolei pole magnetyczne niemal w ogóle nie reaguje z materiałem, dzięki czemu nie dochodzi do dużych strat energii. Co ciekawe, ten metamateriał zagina światło w przeciwną niż zwykle strone, ale, technicznie rzecz biorąc, nie można tutaj mówić o ujemnym indeksie refrakcji. Mamy z nim bowiem do czynienia wtedy, gdy wartości dla przenikalności elektrycznej i magnetycznej są ujemne. Najwięcej korzyści dają metamateriały z ujemnym indeksem refrakcji, czyli takie, jak wspomniane na wstępie połączenie srebra i fluorku magnezu. To one pozwolą udoskonalić anteny, znacząco redukując interferencje czy też umożliwią odwrócenie efektu Dopplera. Jednak dla większości zastosowań przewidywanych dla metamateriałów, takich jak tworzenie z nich czujników optycznych czy powodowanie niewidzialności, oba wspomniane powyżej materiały będą przydatne. Tym co czyni je tak użytecznymi, jest możliwość współpracy z szerokim spektrum długości fali optycznej przy minimalnej stracie energii - stwierdza Zhang. Uczeni przypominają jednak, że wciąż czekają nas wieloletnie badania, zanim np. powstaną "płaszcze-niewidki". Oba nowe metamateriały są bowiem bardzo kruche i są metalami. Poważnym wyzwaniem będzie również opracowanie metod masowej produkcji takich materiałów.