Новости

Учёные заставили прозрачные материалы поглощать свет

Изображение: Пресс-служба МФТИ

Коллектив физиков из России, Швеции и США теоретически продемонстрировал крайне необычный оптический эффект: учёным удалось «виртуально» поглотить свет с помощью материала, который не обладает поглощением. Теоретическая находка авторов открывает новые пути к созданию элементов памяти для света. Работа опубликована в журнале Optica.

Поглощение электромагнитного излучения, в том числе света, является одним из основных электромагнитных эффектов. Он связан с превращением электромагнитной энергии внутри непрозрачного материала в тепло или другие виды энергии (например, при возбуждении электронов). Уголь, чёрная краска или массив углеродных нанотрубок, известный многим под названием Vantablack, выглядят чёрными потому, что в этих материалах энергия падающего света практически полностью поглощается. Другие же материалы, такие как стекло или кварц, не поглощают свет и потому выглядят прозрачными.

В своей теоретической работе, опубликованной в журнале Optica, учёным удалось нарушить это простое интуитивное представление о поглощающих материалах и заставить структуру из абсолютно прозрачного материала выглядеть идеально поглощающей. Чтобы обойти запрет на поглощение, учёные воспользовались особыми математическими свойствами матрицы рассеяния — функции, которая связывает падающее на систему и рассеянное ей электромагнитное поле. При падении на систему из прозрачного материала пучка света с постоянной во времени интенсивностью система рассеивает весь падающий свет вследствие отсутствия поглощения — это свойство матрицы рассеяния называется унитарностью. Оказалось, однако, что если особым образом менять во времени интенсивность падающего пучка, то унитарность может быть нарушена, по крайней мере на какое-то время. В частности, если увеличивать интенсивность падающего света по экспоненте, вся энергия падающего света будет копиться внутри прозрачного материала и не покидать его. Снаружи при этом такая система будет выглядеть идеально поглощающей.

Чтобы продемонстрировать описанный эффект, авторы рассмотрели тонкий слой прозрачного диэлектрика и рассчитали необходимый для виртуального поглощения профиль интенсивности падающего света. Численные расчёты подтвердили, что при экспоненциальном нарастании интенсивности падающей волны (показана пунктиром на рис. 2) прохождение и отражение от такого слоя полностью отсутствуют (сплошная кривая на рис. 2): иными словами, слой выглядит идеально поглощающим, несмотря на отсутствие фактического поглощения. Однако, когда экспоненциальное нарастание амплитуды падающей волны прекращается (момент времени t = 0), вся «запертая» внутри слоя энергия начинает покидать его.

«Теоретические результаты, полученные в этой работе, оказались очень контринтуитивными. Думаю, что никто из авторов до начала исследования не мог предположить, что с помощью прозрачной системы можно провернуть такой „фокус“, — комментирует открытие аспирант МФТИ, один из авторов работы, Денис Баранов. — Но сама математика подсказала нам дорогу к этому эффекту, и неизвестно, какие ещё необычные явления скрываются за ширмой простой электродинамики».

Результаты, продемонстрированные в этой работе, не только расширяют общие представления о том, каким образом может вести себя свет при взаимодействии с обыкновенными прозрачными материалами, но и открывают дорогу к интересным практическим приложениям. Например, такое накопление света в прозрачной системе может позволить разработать устройства оптической памяти, которые будут без потерь хранить оптическую информацию и высвобождать её в нужный момент времени.

Читайте также
Почему мы коллекционируем?
Почему мы коллекционируем?
Если ваш холодильник покрыт магнитами из поездок, то вы тоже коллекционер. Зачем мы это делаем?
Глобальное потепление заставит нас эволюционировать?
Глобальное потепление заставит нас эволюционировать?
Возможна ли адаптация человека к изменениям климата? Животные уже отращивают себе клювы и хвосты.
Красивое растение из Америки заполонило русские поля
Красивое растение из Америки заполонило русские поля
После этой статьи вы будете смотреть на люпины с осуждением и не станете выращивать их у себя в саду.