Свет – пожалуй, самое универсальное проявление физики в нашей жизни. Мы не только видим благодаря свету, но и передаём данные, управляем лазерами, получаем изображение из самых дальних уголков Вселенной. И хотя человечество давно научилось направлять, отражать и фильтровать свет, сегодня перед нами открываются совершенно новые горизонты управления волной – за счёт самой структуры материала.

Недавно в журнале Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical (Q1) вышла статья физиков Петра Казинского и Петра Королёва из Томского государственного университета. Рассказываем, почему она заслуживает внимания. 

Проволока, закрученная в науку

В последние годы наука всё активнее исследует так называемые метаматериалы – искусственные среды с тщательно заданной микроскопической структурой. Их оптические свойства не определяются только химическим составом, как у привычных веществ. Здесь важна форма, периодичность и симметрия, с которой выстроены элементарные структуры.

Представьте себе множество тонких металлических проволочек, закрученных в спирали и выстроенных в трёхмерную сетку. Это и есть винтовой (или спиральный) метаматериал. На первый взгляд – ничего особенного. Однако если внимательно присмотреться к его симметрии, становится ясно: свойства материала сохраняются при одновременном повороте и сдвиге вдоль оси – такая структура называется киральной, или обладающей винтовой симметрией.

Именно в такой среде возникает явление, называемое пространственной дисперсией. Оно означает, что отклик материала на проходящую электромагнитную волну зависит не только от параметров волны в одной точке, но и от свойств среды и параметров волны вокруг этой точки. Возникает так называемая нелокальность, и свет перестаёт вести себя привычно.

– Мне нравится, как в физике соображения о симметрии наводят на интересные открытия. В частности, в данной работе мы исследовали спиральные метаматериалы и, надо сказать, что люди исследовали их и до нас, однако подходы к их описанию опирались на «микроскопическую» теорию, «усредняя» материал по отдельным спиралькам, что в результате не позволяло дать предсказательную технику и интерпретацию численных расчетов в широкой области параметров. Именно размышления о симметрии позволили нам получить такую точную и лаконичную модель, – рассказывает один из авторов работы, аспирант кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Пётр Королев. 

Фильтр по спирали

Как показали авторы работы, в таких структурах появляются киральные запрещенные зоны – диапазоны частот, на которых волна не может распространяться. Более того, эти зоны зависят от поляризации света. То есть волны, обладающие правой круговой поляризацией, проходят, а левой – отражаются. Или наоборот – в зависимости от направления витков в материале. При этом эффект можно точно настраивать, изменяя угол закрутки спирали, расстояние между элементами и параметры среды.

При определённых условиях формируется даже полная запрещённая зона – диапазон частот, при котором электромагнитная волна не проходит совсем. Подобные явления известны в других структурах, например, в жидких кристаллах, но в спиральных метаматериалах они значительно усиливаются за счёт проводимости и пространственной дисперсии.

Чтобы описать столь сложную картину, исследователи использовали не громоздкие численные методы, а элегантный подход – эффективную теорию поля. Этот инструмент давно служит физикам в теории фазовых переходов, физике высоких энергий и космологии, но в применении к метаматериалам он даёт необычайно точные и наглядные результаты.

В рамках этой модели авторы ввели специальное плазмонное поле, отражающее коллективное движение зарядов в проводящих спиралях. Это позволило превратить сложные интегро-дифференциальные уравнения в локальные, то есть зависящие только от значений в данной точке, и найти точные решения в ключевых режимах. Полученные формулы полностью описывают поведение света – его интенсивность, поляризацию, энергию и распределение потоков энергии внутри материала. 

От теории к технологии

Открытия, сделанные в этой работе, имеют самый широкий потенциал. Среди перспективных направлений:

• Фильтрация сигналов по поляризации (связь, радиолокация)

• Фотонные элементы для оптических чипов и квантовых устройств

• Сенсоры, чувствительные к киральным свойствам излучения

• Поляризационные изоляторы для защиты лазеров и волноводов

• Генераторы «закрученных» фотонов

Кроме того, предложенная модель позволяет проектировать поведение материала без длительных численных расчетов. Это даёт возможность оптимизировать геометрию и состав будущих устройств ещё до изготовления прототипов.

– В нашей работе мы старались применить строгие методы теоретической физики к актуальным задачам прикладной оптики. Используя эффективную теорию поля, мы построили аналитическую модель, которая позволяет предсказывать физические свойства света в спиральных метаматериалах. Это не просто абстрактная теория – наша модель согласуется с численными расчетами и может использоваться при проектировании новых функциональных материалов: от оптических фильтров до элементов фотонных схем. Мы надеемся, что это направление будет развиваться и на стыке физики, материаловедения и инженерии приведёт к созданию новых технологий, – комментирует результаты работы профессор кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Пётр Казинский.

Современная физика показывает: не только химия и состав, но и форма – геометрия, симметрия, структура – становятся полем битвы за контроль над природой. Спиральные метаматериалы – это как винтовая лестница, ведущая в новое измерение управления светом.

Возможно, через несколько лет элементы на основе таких материалов будут стоять в телекоммуникационных устройствах, на борту спутников, в медицинских лазерах и в лабораториях квантовых вычислений. А пока – наука продолжает раскручивать свою спираль открытий.

Текст: Владислав Рякин, ФФ ТГУ. Фото: сайт ФФ ТГУ