И фотонные кристаллы, и метаматериалы — это искусственные материалы, состоящие из небольших компонентов с разными электромагнитными свойствами. Они напоминают настоящие кристаллы, хотя основной компонент в этих материалах намного больше атома или молекулы.
В физике такие материалы интересны своей способностью эффективно управлять распространением света. Фотоны в этих материалах могут двигаться по очень необычным траекториям, которые определяются свойствами компонентов, составляющих периодическую структуру материала.
Ученые из России и Австралии решили проверить, как изменятся оптические свойства таких материалов, если их параметры будут постепенно изменены. В качестве модели учёные использовали? решетка из пластиковых баллонов, заполненных нагретой водой.При взаимодействии со светом такая структура может генерировать два типа резонансов: локальный резонанс Ми, связанный с каждым цилиндром индивидуально, и расширенный брэгговский резонанс, возникающий из-за интерференции света, рассеянного всеми цилиндрами.
Если показатель преломления цилиндров высокий, то говорят, что структура относится к метаматериалам, а если он низкий — к фотонным кристаллам.Показатель преломления и расстояние между соседними цилиндрами — два основных фактора, определяющих фотонные свойства материала.Исследователи провели расчеты для 100 различных значений показателя преломления и 50 значений постоянной решетки — от случаев, когда цилиндры касались друг друга, до случаев, когда расстояние между цилиндрами достигало 100 радиусов одного цилиндра.
В результате было исследовано 5000 различных фотонных структур. Каждому было отведено свое место в классификации.
Интерпретация данных позволила исследователям построить фазовую диаграмму перехода от фотонного кристалла к метаматериалу.«Обычно, когда мы говорим о фазовом переходе — резком изменении свойств материала — мы представляем преобразование чего-то твердого в нечто жидкое или, например, появление электрических свойств, вызванных изменениями температуры или давления. Это происходит из-за к тому, что температура и давление определяют структуру материала на атомном уровне.
Мы влияем на него косвенно, так сказать, просто изменяя параметры окружающей среды », — говорит Михаил Рыбин, первый автор исследования и старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.
«В случае фотонных структур мы сами определяем требуемые свойства материала, выбирая взаимное расположение и показатель преломления структурных элементов — метаатомов. Это позволяет нам ввести понятие фазовой диаграммы в наборах осей: геометрическая размер — показатель преломления. В нашем случае периодическая структура генерирует локальный отрицательный магнитный отклик, который действует как признак метаматериала.
Другими словами, структура превращается из фотонного кристалла в метаматериал », — добавляет Рыбин.Чтобы проверить теоретический расчет, исследователи устроили метакристалл из пластиковых труб, заполненных нагретой водой. Измерения проводились в микроволновом диапазоне.
В экспериментах фазовый переход осуществлялся двумя разными способами. Первый был вызван изменением температуры воды в метакристалле с 90 до 20 градусов Цельсия, что повлияло на показатель преломления воды. Второй метод заключался в изменении расстояния между трубками, то есть уменьшении метакристалла.
Этот метод напоминает повышение давления при обычных фазовых переходах.Измерения полностью соответствовали теоретическим предположениям, необходимым для построения фазовой диаграммы. Таким образом, работа стала первой попыткой представить фотонные кристаллы и метаматериалы в рамках единой системы с набором параметров.
Это важно, потому что теперь исследователям не нужны специальные расчеты, чтобы предвидеть, какие материалы следует использовать для создания структурных элементов и насколько плотно они должны быть упакованы для получения метаматериала.