Физики из МФТИ ускорили создание гаджетов, "нарушающих" законы оптики
Российские ученые создали математическую модель, которая ускорит проектирование различных оптических устройств, построенных на базе метаматериалов или графена. Ее описание было опубликовано в журнале Physical Review E.
"Оптические элементы этих устройств можно представить составленными из более простых блоков. Если мы знаем матрицу рассеивания этого блока, то нам уже неважно, из чего он состоит и какими размерами обладает. Зная матрицы разных блоков, мы можем их комбинировать с помощью достаточно простого правила. Это более высокий уровень абстракции, чем модельное описание микроскопических параметров оптических подсистем", - рассказывает Алексей Щербаков, физик из МФТИ, чьи слова передает пресс-служба вуза.
В последние годы ученые активно изучают свойства так называемых метаматериалов - искусственных структур из множества отдельных кусочков или наночастиц, способных необычным образом взаимодействовать со светом. Метаматериалы, как сегодня считают физики, станут основой сверхбыстрых световых компьютеров будущего и других футуристичных гаджетов.
Строго говоря, метаматериалы не являются изобретением человека - похожие на них кристаллы и структуры встречаются на крыльях многих бабочек "металлической" окраски, на панцирях многих других насекомых, крыльях птиц и даже в знаменитых синих складках на мордах павианов-мандрилов.
В отличие от "обычных" оптических приборов, свойства которых можно достаточно легко предсказать, просчитать поведение света внутри метаматериалов значительно сложнее. Их "стройблоки" часто имеют неправильную или просто сложную форму, из-за чего они взаимодействуют со светом не так, как на это указывает классическая оптика.
По этой причине ученым приходится полностью просчитывать то, как ведут себя лучи света на микроскопическом уровне, взаимодействуя с материалом, используя уравнения Максвелла, описывающие поведение электромагнитных волн. Российские физики упростили эту задачу, разработав математическую модель и набор формул, позволяющую вычислить так называемую матрицу рассеивания.
Она представляет собой особый математический инструмент, при помощи которого инженер может вычислить то, как свет будет вести себя внутри метаматериала только по его свойствам, не просчитывая полностью взаимодействие его волн с "кубиками" материала.
Используя эту модель, Щербаков и его команда просчитали то, как терагерцовое излучение, "раздевающие" лучи, взаимодействует с листом графена, который был предварительно смят в "гармошку" и приклеен к подложке из кремния и оксида этого полупроводника.
Результаты этих расчетов совпали с тем, что физики наблюдают в реальных опытах с подобными структурами. Это, как надеются ученые из МФТИ, позволит использовать их детище и при создании "бытовых" оптических устройств, построенных на базе метаматериалов или "плоских" двумерных соединений, таких как графен.
