Μεταϋλικά που διαθλούν το φως λίγο διαφορετικά.

Μια ομάδα επιστημόνων, από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας (MIPT) και το Ινστιτούτο Landau Θεωρητικής Φυσικής στη Ρωσική Ακαδημία Επιστημών, έχει προτείνει ένα δισδιάστατο μεταϋλικό, το οποίο αποτελείται από στοιχεία που διαθλούν το φως με έναν ασυνήθιστο τρόπο.

Ένα μεταϋλικό είναι ένα υλικό, οι ιδιότητες του οποίου έχουν δημιουργηθεί από μία τεχνητή περιοδική δομή. Το πρόθεμα "μετά" (από την ελληνική λέξη μετά - πέρα) δείχνει ότι τα χαρακτηριστικά του υλικού είναι πέρα ​​από αυτό που βλέπουμε στη φύση. Τις περισσότερες φορές, όταν μιλάμε για μεταϋλικά, εννοούμε υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός τέτοιου υλικού η διαθλώμενη ακτίνα φωτός βρίσκεται στην ίδια πλευρά, ως προς την κάθετη στην επιφάνεια, με την προσπίπτουσα. Η διαφορά μεταξύ της συμπεριφοράς του φωτός σε ένα μέσο με θετικό και ενός με αρνητικό δείκτη διάθλασης μπορεί να φανεί, για παράδειγμα, όταν μία ράβδος βυθίζεται σε υγρό. 

Αριστερά: Μέσο με θετικό δείκτη διάθλασης
Δεξιά: Μέσο με αρνητικό δείκτη διάθλασης

Η ύπαρξη ουσιών με αρνητικό δείκτη διάθλασης είχε προβλεφθεί ήδη από τα μέσα του 20ου αιώνα. Το 1976, ο Σοβιετικός φυσικός V.G. Veselago δημοσίευσε ένα άρθρο στο οποίο περιγράφει θεωρητικά τις ιδιότητές αυτών των υλικών, στις οποίες συμπεριλαμβάνεται και η ασυνήθης διάθλαση του φωτός. Ο όρος μεταϋλικά προτάθηκε από τον Roger Walser το 1999. Τα πρώτα δείγματα από μεταϋλικά κατασκευάστηκαν από συστοιχίες λεπτών καλωδίων και λειτουργούσαν μόνο με την ακτινοβολία μικροκυμάτων.

Τα ασυνήθιστα οπτικά χαρακτηριστικά δεν συνεπάγονται κατ' ανάγκη τη χρήση τρισδιάστατων μεταϋλικών. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα χρήσης δισδιάστατων δομών, των λεγόμενων μετα-επιφανειών (στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα λεπτό φιλμ που αποτελείται από μεμονωμένα στοιχεία). Η αρχή λειτουργίας των επιφανειών αυτών, βασίζεται στο φαινόμενο της περίθλασης. Κάθε επίπεδη επιφάνεια μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πλέγμα περίθλασης, η οποία διαχωρίζει το προσπίπτον φως σε περισσότερες ακτίνες. Ο αριθμός και η κατεύθυνση των ακτίνων εξαρτάται από τις γεωμετρικές παραμέτρους όπως η γωνία πρόσπτωσης και το μήκος κύματος.

Μεταϋλικό δύο διαστάσεων

Αυτή η ιδέα αποτελεί την πρόσφατη δουλειά της ομάδας των επιστημόνων από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας και το Ινστιτούτο Landau. Το βασικό δομικό στοιχείο από το οποίο θα σχηματιστεί η επιφάνεια-πλέγμα αποτελείται από ένα ζεύγος κυλίνδρων αργύρου στενά συνδεδεμένων μεταξύ τους. Οι κύλινδροι αυτοί έχουν ακτίνες της τάξης των 100nm. Μια τέτοια δομή είναι σχετικά απλή και λειτουργεί στα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στο ορατό φως, ενώ τα περισσότερα ανάλογα έχουν πιο πολύπλοκες γεωμετρίες και λειτουργούν μόνο με μικροκύματα.

Η αποτελεσματική αλληλεπίδραση των μεταλλικών κυλίνδρων με το φως οφείλεται στα ηλεκτρόνια. Το φως απορροφάται από τις μεταλλικές ράβδους, αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια στο μέταλλο να ταλαντώνονται και να ακτινοβολούν εκ νέου. Οι ερευνητές είναι σε θέση να ρυθμίσουν τις παραμέτρους του πλέγματος, έτσι ώστε η προσπίπτουσα ακτινοβολία να διαθλάται με τον επιθυμητό τρόπο. Το σύστημα αυτό λειτουργεί με ένα ευρύ φάσμα γωνιών πρόσπτωσης. Οι προσπάθειες της επιστημονικής κοινότητας επικεντρώνονται σε μεγάλο βαθμό στη δημιουργία υποδομών, ικανών να επιτύχουν αποτελεσματικά τον επαναπροσανατολισμό του φωτός προς την επιθυμητή κατεύθυνση.

Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη νέας οπτικής τεχνολογίας που αφορά στην επεξεργασία και τη μετάδοση πληροφοριών. Οι συμβατικές ηλεκτρικές διασυνδέσεις που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα κυκλώματα των ηλεκτρονικών υπολογιστών λειτουργούν στο όριο των δυνατοτήτων τους και αναστέλλουν την περαιτέρω ανάπτυξη των επιδόσεων των υπολογιστών. Η αντικατάσταση των ηλεκτρικών διασυνδέσεων από οπτικές διασυνδέσεις θα είναι δυνατή εφόσον μελετηθούν τα οπτικά σήματα σε νανοκλίμακα.

Μετά:
Τι είναι το Φως (;)
Πως δημιουργείται ο αντικατοπτρισμός;
Αφιέρωμα στο φως. 

Τέλος, δες εδώ επιπλέον πληροφορίες για τα μεταϋλικά.