Но теперь исследователи Массачусетского технологического института впервые создали систему, которая позволяет свету любого цвета проходить сквозь него, только если он исходит под одним определенным углом; техника отражает весь свет, исходящий с других направлений. Этот новый подход может в конечном итоге привести к развитию солнечной фотоэлектрической энергии, детекторов для телескопов и микроскопов и фильтров конфиденциальности для экранов дисплеев.
Работа описана в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science, написанной аспирантом Массачусетского технологического института Иченом Шеном, профессором физики Марин Солячич и четырьмя другими. «Мы очень рады этому, — говорит Солячич, — потому что это очень фундаментальный строительный блок в нашей способности управлять светом».Новая структура состоит из стопки ультратонких слоев из двух чередующихся материалов, толщина каждого из которых точно регулируется. «Когда у вас есть два материала, то обычно на границе раздела между ними будут некоторые отражения», — объясняет Солячич. Но на этих границах раздела «есть этот волшебный угол, называемый углом Брюстера, и когда вы входите именно под этим углом и с соответствующей поляризацией, отражения нет вообще».Хотя количество света, отраженного на каждой из этих границ раздела, невелико, за счет объединения многих слоев с одинаковыми свойствами большая часть света может быть отражена, за исключением того, что входит точно под прямым углом и поляризацией.
Используя стопку из примерно 80 чередующихся слоев точной толщины, Шен говорит: «Мы можем отражать свет под большинством углов в очень широкой полосе [цветов]: во всем видимом диапазоне частот».Предыдущая работа продемонстрировала способы выборочного отражения света, за исключением одного точного угла, но эти подходы были ограничены узким диапазоном цветов света. Группа считает, что широта новой системы может открыть множество потенциальных приложений.
Шен говорит: «Это может иметь большое применение в энергетике, особенно в солнечной термофотоэлектрической энергии» — использование солнечной энергии для нагрева материала, который, в свою очередь, излучает свет определенного цвета. Это световое излучение затем можно использовать с помощью фотоэлектрического элемента, настроенного на максимальное использование этого цвета света. Но для того, чтобы этот подход работал, важно ограничить тепло и свет, теряемые из-за отражений и повторного излучения, поэтому возможность выборочного управления этими отражениями может повысить эффективность.
Результаты также могут оказаться полезными в оптических системах, таких как микроскопы и телескопы, для наблюдения за слабыми объектами, которые находятся рядом с более яркими объектами, например, слабой планетой рядом с яркой звездой. Используя систему, которая принимает свет только под определенным углом, такие устройства могут иметь улучшенную способность обнаруживать слабые цели.
Фильтрация также может применяться к экранам дисплеев на телефонах или компьютерах, чтобы их могли видеть только те, кто смотрит прямо перед собой.Исследователи говорят, что в принципе угловую селективность можно сузить, просто добавив больше слоев в стек. Для проведенных до сих пор экспериментов угол селективности составлял около 10 градусов; примерно 90 процентов света, попадающего под этим углом, могло пройти.Хотя эти эксперименты проводились с использованием слоев стекла и оксида тантала, Шен говорит, что в принципе можно использовать любые два материала с разными показателями преломления.
Джон Пендри, профессор Имперского колледжа Лондона, который не имел отношения к этому исследованию, называет это «гениальным приложением».«В макроскопическом масштабе это эквивалентно наблюдению за миром через набор жалюзи… которые позволяют свету проникать только с одного направления», — говорит Пендри. «Однако новое устройство гораздо более совершенное, поскольку оно работает в масштабе длины волны».
В команду также входили научный сотрудник Массачусетского технологического института Иван Целанович; доцент математики Стивен Джонсон; Джон Джоаннопулос, профессор физики Фрэнсиса Райта Дэвиса; и Дексин Е из Чжэцзянского университета в Китае. Работа была частично поддержана Исследовательским офисом армии через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института и Министерством энергетики США через Центр энергетических исследований MIT S3TEC Frontier Center.