Световые волны можно охарактеризовать тремя фундаментальными свойствами: цветом (или длиной волны), поляризацией и направлением распространения. Уже давно существует возможность выборочно фильтровать свет по цвету или поляризации, но селективность по направлению распространения до сих пор оставалась недостижимой.
Но теперь исследователи из Массачусетского технологического института впервые создали систему, которая пропускает свет любого цвета, только если он падает под определенным углом. При этом весь свет, падающий под другими углами, отражается. Этот новый подход может привести к прорывам в области солнечной энергетики, созданию детекторов для телескопов и микроскопов, а также фильтров для защиты конфиденциальности на экранах.
Результаты исследования описаны в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science. Ее авторы — аспирант Массачусетского технологического института Ичэнь Шэнь, профессор физики Марин Солячич и еще четверо ученых. «Мы в восторге от этого открытия, — говорит Солячич, — потому что это фундаментальный элемент нашей способности управлять светом».
Новая структура для управления светом
Новая структура состоит из набора ультратонких слоев двух чередующихся материалов, толщина каждого из которых точно контролируется. «Когда у вас есть два материала, то на границе раздела между ними обычно возникают отражения», — объясняет Солячич. Но на таких границах раздела «есть этот волшебный угол, который называется углом Брюстера, и если свет падает под этим углом и с соответствующей поляризацией, то отражения не происходит вовсе».
Несмотря на то, что количество света, отражаемого на каждом из этих интерфейсов, невелико, при использовании множества слоев с одинаковыми свойствами большая часть света может быть отражена — за исключением того, что попадает на поверхность под строго определенным углом и с определенной поляризацией.
По словам Шена, с помощью стопки из примерно 80 чередующихся слоев одинаковой толщины «мы можем отражать свет под любым углом в очень широком диапазоне [цветов]: во всем видимом спектре частот».
В предыдущих работах были продемонстрированы способы избирательного отражения света, за исключением одного конкретного угла, но эти подходы были применимы только к узкому диапазону цветов. По словам ученых, новая система может найти множество потенциальных применений.
Шэнь говорит: «Это может найти широкое применение в энергетике, особенно в солнечной термофотовольтаике» — использовании солнечной энергии для нагрева материала, который, в свою очередь, излучает свет определенного цвета. Это свечение можно улавливать с помощью фотоэлектрического элемента, настроенного на максимальное использование света этого цвета. Но для того, чтобы этот подход работал, необходимо ограничить потери тепла и света из-за отражения и повторного излучения, поэтому возможность выборочно контролировать эти процессы может повысить эффективность.
Полученные результаты также могут оказаться полезными в оптических системах, таких как микроскопы и телескопы, для наблюдения за тусклыми объектами, расположенными рядом с более яркими объектами, — например, за тусклой планетой рядом с яркой звездой. Благодаря системе, принимающей свет только под определенным углом, такие устройства смогут лучше обнаруживать тусклые объекты. Фильтрацию можно также применять для экранов телефонов и компьютеров, чтобы их могли видеть только те, кто смотрит на них прямо перед собой.
В принципе, по словам исследователей, угловую селективность можно сделать более узкой, просто добавив в структуру больше слоев. В ходе проведенных экспериментов угол селективности составлял около 10 градусов; примерно 90 % света, попадающего в этот диапазон, пропускалось.
Хотя эти эксперименты проводились с использованием слоев стекла и оксида тантала, Шэнь говорит, что в принципе можно использовать любые два материала с разными показателями преломления.
Джон Пендри, профессор Имперского колледжа Лондона, не принимавший участия в этом исследовании, называет его «гениальным применением».
«В макроскопическом масштабе это эквивалентно наблюдению за миром через набор жалюзи... которые пропускают свет только с одного направления, — говорит Пендри. — Однако новое устройство устроено гораздо сложнее и работает на уровне длины волны».
В команду также вошли научный сотрудник Массачусетского технологического института Иван Челанович, доцент кафедры математики Стивен Джонсон, профессор физики Фрэнсис Райт Дэвис и Дексин Е из Чжэцзянского университета в Китае. Работа частично финансировалась Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США через Институт нанотехнологий для армии при Массачусетском технологическом институте и Министерством энергетики США через Центр перспективных энергетических исследований Массачусетского технологического института.