Uut tüüpi metamaterjalid säästavad valgust

Purdue ülikooli teadurid on leidnud viisi, kuidas vähendada metamaterjale läbiva valguse energiakadusid kuni 50 korda.

Metamaterjalid astuvad oma olemuselt välja justkui ulmefilmidest. Nende murdumisindeks on alla ühe või isegi negatiivne. Looduses selliste optiliste omadustega materjale ei leidugi.

Tavatingimustes võivad elektromagnetlained nagu valgus murduda tihedamasse keskkonda sattudes erinevate nurkade all ning kiirustega vaid pinna ristsirgest eemale. Ent metamaterjalidega on võimalik painutada valgust selle suunas ning isegi negatiivse nurga all.

Praktikas võimaldab see teadlastel kasutada metamaterjale valguse kontrollimiseks samasugusel viisil, nagu saab teha pooljuhtidega elektrivoolu korral. See omakorda avab uksed tervele reale uutele rakendustele nagu ülivõimsad mikroskoobid ja arvutid. Samuti ka varjestamistehnoloogiatele ning – nähtamatule mantlile.

Kaua aega on aga ülimaterjale kummitanud tõsine puudus, liiga palju valgust läheb metamaterjali läbimisel kaotsi või neeldub hõbedas ja kullas, mida metamaterjalide valmistamiseks kasutatakse. Pärast Purdue ülikooli töörühma kolme aastas pikkust uurimistööd Bircki nanotehnoloogia keskuses õnnestus neil leida lähenemisviis, mis võib probleemi lahendada. “Me näitasime, et põhimõtteliselt on võimalik (valguse) kaotsiminekut vältida ning arendada mitmete rakenduste jaoks sobivad materjalid,” kinnitasid Vladimir M. Shalaev ja Anne Burnett.

Purdue teadurite poolt loodud materjal on tehtud kalavõrgu sarnasest kilest, milles on 100 nanomeetrise läbimõõduga augud. Kile ise koosneb vaheldumisi asetatud hõbeda -ja alumiiniumoksiidi kihtidest. Projekti juures töötavad teadlased eemaldasid aga osa hõbeda kihtide vahel olevast alumiiniumoksiidist ning asendasid selle valgust võimendava värvainega. Teised valdkonnas töötavad teadlased on Shalaevi sõnul üritanud seni kanda kile pinnale mitmeid erinevaid vahendajaid, kuid edutult. Lähenemisviisid ei võimendanud valgust piisavalt.

Selle asemel leidis Purdue töörühm viisi paigutada värvaine kahe hõbeda kihi vahele, kus valguse lokaalne väli on tunduvalt tugevam, kui kile pinnal. Vahendaja töötab seetõttu 50 korda efektiivsemalt. Seega võivad transformatsiooni optika poolt pakutavad praktilised rakendused olla lähemal kui arvata võiks.

“Mis on tähtis, et neelduvusfaktor võib-olla kuni üks miljondik sellest, mis see oli enne meie lähenemisviisi. me võime saavutada isegi valguse võimendamist selle neeldumise asemel. Meie tulemuste kohaselt saab metamaterjalidel olla korraga nii negatiivne murdumisnäitaja, kui ka seejuures valgust võimendada,” ütles Shalaev.

Uurimus ilmus ajakirjas Nature 5. augustil.

Loe lisaks:
Purdue ülikool: “New findings promising for ‘transformation optics,’ cloaking.”