Магнитные зеркала отражают свет в неизмененном виде

Новый журнал Оптического Общества (OSA) Optica сообщил об изобретении зеркала, в котором для отражения инфракрасного света используются необычные магнитные свойства неметаллического метаматериала.

Традиционные металлические зеркала отражают свет вступая во взаимодействие с электрической компонентой электромагнитного излучения, меняя ее на противоположную. Этот не имеет значения для восприятия глазом, но важно в физическом смысле, особенно в точке отражения, где входящее и исходящее электрические поля взаимно вычитаются. Такое временное подавление электрических свойств света препятствует взаимодействию с ним наноантенн или квантовых точек, находящихся на зеркальной поверхности.

Магнитное зеркало отражает свет, воздействуя на его магнитное поле, при этом исходные электрические свойства сохраняются. «Таким образом, магнитное зеркало создает на своей поверхности очень сильное электрическое поле, способствует максимальному поглощению энергии электромагнитных волн и создавая предпосылки для реализации интересных новых приложений», — заявил соавтор статьи, сотрудник Sandia Lab Айгал Бренер (Igal Brener).

Магнитные поля могут отражать или захватывать заряженные частицы, но фотоны проходят сквозь них свободно. «В природе не существует простого способа магнитного отражения света», — комментирует коллега Бренера, Майкл Синклер (Michael Sinclair).

Ранее продемонстрировать этот эффект уже удавалось для микроволнового диапазона. Попытки реализовать магнитное зеркало для более коротких волн до сих пор заканчивались неудачно: в использовавшихся для этого конструкциях из металлических чешуек слишком велики были потери энергии.

Физикам из Sandia Lab удалось изобрести материал с особой субволновой структурой, способной воспроизводить эффект магнитного зеркала в ИК-диапазоне. Впервые экспериментально продемонстрированное функционирующее магнитное ИК-зеркало представляет собой неметаллическую поверхность, покрытую двумерным массивом нанометровых диэлектрическими резонаторами. В качестве последних использовались кубики, состоящие из химического элемента теллура, с характерным размером меньше длины волны инфракрасного излучения.

«Размеры и форма резонаторов имеют критическое значение, наряду с их магнитными и электрическими свойствами, — заявил Синклер. — Все вместе они отвечают за уникальное взаимодействие со светом, рассеивая его в определенной полосе длин волн для получения эффекта магнитного зеркала».

Подтверждение того, что при отражении от нового метаматериала фаза света не меняется на противоположную, было получено методом времяпролетной (time domain) спектроскопии, который широко используется для измерения фазы более длинных волн терагерцевого диапазона. Как утверждают исследователи, помимо них лишь немногим группам в мире удалось продемонстрировать эту технику для волн, длиной менее 10 нм.

На следующих этапах проекта, авторы рассчитывают найти материалы, способные давать эффективное магнитное отражение для оптических волн. Для них имеется широкий круг потенциальных приложений, включая более миниатюрные фотодетекторы, новые типы солнечных батарей, лазеров и других оптоэлектронных устройств.

Массивы нанорезонаторов можно изготовлять стандартными для микроэлектронной индустрии методами литографии и травления, что обещает существенно упростить их интеграцию в уже существующие производственные процессы.