Группа физиков из Университета ИТМО, Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе и Австралийского национального университета изучила явление фазового перехода между фотонными кристаллами и метаматериалами — двумя типами периодических структур, способных управлять светом сложным образом. Данная работа поможет лучше понять фундаментальные свойства периодических структур и открыть новые возможности для проектирования и создания новых электромагнитных материалов.
Фотонные кристаллы и метаматериалы представляют собой искусственные среды, состоящие из частиц небольшого размера с определёнными электромагнитными свойствами. Несмотря на то, что компоненты этих материалов намного превышают атомные размеры, материалы способны преобразовывать структуру светового потока, причём зачастую крайне необычным образом. Особенности преломления света в таких материалах зависят от свойств и расположения составляющих их компонентов.
Исследователи из России и Австралии решили проверить, как оптические свойства подобных материалов будут меняться при постепенном изменении параметров их компонентов. В качестве моделей учёные использовали решётку из пластиковых трубок, заполненных горячей водой. Сами авторы сравнивают получившуюся систему с батареей отопления.
Как отмечается в пресс-релизе ИТМО, при взаимодействии со светом подобная структура может создавать два типа резонансов: локальные резонансы Ми, связанные с каждой отдельной трубкой, и протяжённые брэгговские резонансы, которые возникают вследствие интерференции света, рассеянного на разных трубках.
Основными факторами, определяющими оптические свойства созданного материала, являются коэффициент преломления трубок и расстояние между соседними трубками. Если коэффициент преломления трубок высок, то говорят, что структура относится к метаматериалам, а если низок — к фотонным кристаллам.
Исследователи провели вычисления для 100 различных значений коэффициента преломления и 50 значений постоянной решётки. Температура воды в трубках изменялась от 20 до 90 градусов Цельсия, что дало изменение показателя преломления трубки в целом от 1 до 10. Расстояние между трубками составляло от нуля — в этом случае трубки соприкасались друг другом — до сотни их радиусов.
В результате были изучены 5000 различных оптических структур. Анализ результатов позволил учёным построить фазовую диаграмму перехода между фотонным кристаллом и метаматериалом. Как отмечают авторы, проделанные измерения подтвердили теоретические оценки.
Для проверки теоретических расчётов учёные собрали метакристалл из пластиковых трубок, заполненных нагретой водой. Измерения происходили в микроволновом диапазоне. Фазовый переход удалось воспроизвести двумя способами. Первый связан с изменением температуры воды и, соответственно, показателем преломления этого искусственного кристалла. Второй состоял в изменении расстояний между трубками, то есть связан с уменьшением размеров метакристалла. Авторы отмечают, что в этом случае можно найти аналогию с классическими фазовыми переходами: уменьшение объёма вещества обычно связано с увеличением давления.
Данная работа — первая попытка представить фотонные кристаллы и метаматериалы в рамках единой системы с набором параметров. Её итоги помогут избежать расчётов коэффициента преломления и структуры компонентов при проектировании новых метаматериалов — модель предоставляет приблизительные оценки нужных параметров.