Производство оптических схем требует устройств, которые могут усиливать оптические сигналы, фокусировать их, вращать и изменять тип движения. Обычные линзы не могут справиться с этими задачами в наномасштабе, поэтому ученые работают с искусственными оптическими материалами — фотонными кристаллами и метаматериалами, которые могут управлять распространением света самыми необычными способами. Однако изготовление оптических материалов с желаемыми свойствами — трудоемкий процесс, который требует постоянного улучшения.
Ученые из Университета ИТМО, Института Иоффе и Австралийского национального университета впервые предложили анализировать структуру фотонных кристаллов методом оптической дифракции, то есть глядя на световую картину, возникающую при воздействии на образец лазерного луча. Исследование показало, что количество этих пятен равно количеству рассеивающих микроскопических частиц в структуре образца. Раньше такие маленькие частицы можно было увидеть и подсчитать только с помощью мощных и дорогих электронных или атомно-силовых микроскопов.
«Свет воспринимает неоднородность», — говорит Михаил Рыбин, первый автор статьи, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. "В зависимости от формы и относительного положения рассеивателей световая волна продолжает распространяться за образцом по-разному. Другими словами, структура образца влияет на дифракционную картину, которая будет проецироваться на экран.
Мы выяснили, что глядя на узор, можно определить точное количество рассеивателей в материале. Это помогает понять не только тип решетки образца (квадратная, треугольная), но и установить ее структуру (от 20 до 20 частиц или от 30 до 15), просто подсчитывая световые пятна на экране."
Новый метод является гораздо более доступной альтернативой дорогостоящей электронной или атомно-силовой микроскопии и в этом случае не портит образец. «Даже школьник может купить лазерную указку, приспособить небольшую линзу для лучшей фокусировки света, зафиксировать образец и направить на него лазерный луч», — отмечает Михаил Рыбин. «Кроме того, наш метод позволяет исследовать оптические материалы без изменения их структуры, в отличие от электронной микроскопии, где поверхность образца должна быть покрыта проводящим металлическим слоем, что ухудшает оптические свойства образца."
Новый метод уже позволил ученым исследовать переход между двумя основными классами оптических материалов: фотонными кристаллами и метаповерхностями. В ходе исследования они определили параметры решетки, которые определяют, воспринимает ли свет материал как двумерный фотонный кристалл или как метаповерхность.
В обоих классах рассеивающие частицы (кольца, шары, цилиндры размером 200-300 нанометров) расположены в плоской решетке.
Однако в случае двумерного фотонного кристалла свет воспринимает образец как набор отдельных частиц. Поэтому, проходя через него, свет образует причудливый узор на экране позади образца. В случае метаповерхностей свет воспринимает образец как однородный.
На экране отображается только одно яркое пятно, указывающее на то, что рассеивающие частицы расположены достаточно близко друг к другу, так что свет не видит их как отдельные частицы и проходит через образец без разделения.
Чтобы луч света прошел через метаповерхность, расстояние между частицами должно быть меньше длины волны света. Расчеты показывают, что для некоторых структур необходимо создать решетку, в которой расстояние между частицами в 2–3 раза меньше длины волны света.
Однако часто метасвойства могут проявляться на больших расстояниях между частицами. Важно найти максимально допустимое расстояние, поскольку уменьшение структуры на один нанометр делает технологию более дорогой.
Оказалось, например, что для света с длиной волны 530 нанометров (зеленый цвет) расстояния в 500 нанометров между рассеивающими частицами уже достаточно. "Луч зеленого света воспринимает структуру с периодом 500 нанометров как однородный материал. Поэтому иногда нет необходимости изготавливать решетку с периодом намного меньше длины волны, потому что создание более крупных структур намного проще с технологической точки зрения.
Для одной длины волны материал будет действовать как фотонный кристалл, а для другой — как метаповерхность. Поэтому, создавая такие конструкции, мы можем оценить максимальный период решетки с помощью лазера », — заключает Михаил Рыбин.