В мире оптики крошечные структуры, называемые микрополостями — часто не шире человеческого волоса — играют решающую роль в технологиях, начиная от лазеров и заканчивая датчиками.
Эти микроскопические резонаторы улавливают свет, позволяя ему циркулировать миллионы раз в пределах их границ. Когда они имеют идеальную форму, свет внутри них движется по гладким круговым траекториям. Но при небольшом нарушении симметрии свет начинает вести себя непредсказуемо, следуя хаотическим маршрутам, которые могут привести к удивительным эффектам, таким как однонаправленное лазерное излучение или усиление взаимодействия света и вещества.
До сих пор большинство исследований такого хаотического поведения было сосредоточено на плоских двумерных микрополостях. Их легче изучать, поскольку их форму можно увидеть и измерить под микроскопом. Но истинно трёхмерные (3D) микрополости, где деформация происходит во всех направлениях, оставались в значительной степени неисследованными. Их внутреннюю геометрию трудно зафиксировать без разрезания или повреждения образца, что затрудняет понимание того, как в них ведёт себя свет.
Исследование, опубликованное в Advanced Photonics Nexus, меняет ситуацию. Международная группа исследователей разработала способ визуализации и анализа трёхмерных хаотических микрополостей без их повреждения. Они использовали рентгеновскую микрокомпьютерную томографию (µCT), метод, широко используемый в медицинских лабораториях и лабораториях материаловедения, для сканирования слегка деформированной микросферы из диоксида кремния. Это позволило им реконструировать её полную трёхмерную форму с субмикронной точностью.
С помощью этой детальной модели команда смогла рассчитать, как свет распространяется через деформированную полость. Они обнаружили, что при искажении формы в нескольких направлениях свет не просто хаотично отскакивает — он распространяется по всей полости в процессе, известном как диффузия Арнольда. Это подтверждает давнее теоретическое предсказание о трёхмерной хаотической динамике света.
По словам профессора Сайле Ниг Хромэйк, автора отчёта и директора подразделения «Взаимодействие света и вещества для квантовых технологий» в Окинавском институте науки и технологий, «эта работа открывает новое окно для изучения трёхмерного волнового хаоса, нелинейной оптики и квантовой фотоники. Помимо фундаментальных исследований, этот подход может вдохновить на создание новых конструкций высокочувствительных датчиков, широкополосных микролазеров и сложных оптических сетей, использующих хаотическую динамику для повышения производительности».
Свет в основе компьютеров будущего
Исследователи разрабатывают компьютеры, использующие свет (фотоны) вместо электричества для хранения данных и вычислений. Такие световые компьютеры потенциально могут быть более энергоэффективными, чем традиционные, и при этом выполнять вычисления на более высоких скоростях.
Однако главной проблемой в производстве световых компьютеров, всё ещё находящихся в зачаточном состоянии, является успешное перенаправление микроскопических световых сигналов на компьютерном чипе с минимальными потерями в силе сигнала. Это фундаментальная проблема проектирования материалов. Для поддержания силы сигнала таким компьютерам требуется лёгкий материал, блокирующий дополнительный свет со всех входящих направлений — так называемый «изотропный материал с запрещённой зоной».
Учёные из Нью-Йоркского университета сообщают об открытии гироморфов — материала, сочетающего, казалось бы, несовместимые свойства жидкостей и кристаллов и превосходящего любую другую известную структуру в блокировке света со всех входящих углов.
Работа, описанная в журнале Physical Review Letters, представляет инновационный способ управления оптическими свойствами и потенциально расширения возможностей световых компьютеров.
«Гироморфы не похожи ни на одну известную структуру, поскольку их уникальный состав приводит к созданию более совершенных изотропных материалов с запрещённой зоной, чем это возможно при использовании современных подходов», — говорит Стефано Мартинани, доцент кафедры физики, химии, математики и нейронаук и старший автор статьи.
При проектировании изотропных материалов с запрещённой зоной учёные часто обращаются к квазикристаллам — впервые предложенным физиками Полом Стейнхардом и Довом Левиным в 1980-х годах и одновременно наблюдаемым в экспериментах Дэна Шехтмана, получившего Нобелевскую премию по химии в 2011 году. Квазикристаллы имеют математический порядок в своей структуре, но, в отличие от кристалла, он не повторяется.
Однако, как отмечают исследователи из Нью-Йоркского университета, в квазикристаллах есть неприятный компромисс: либо они полностью блокируют свет, но только с нескольких направлений, либо ослабляют свет со всех направлений, но не блокируют его полностью. Именно поэтому учёные продолжают искать альтернативные материалы, которые могут блокировать свет, ослабляющий сигнал.
В работе, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи из Нью-Йоркского университета создали метаматериалы — инженерные материалы, свойства которых определяются их структурой, а не химической природой. Однако при создании метаматериалов необходимо сначала понять, как их структура приводит к возникновению физических свойств, представляющих интерес.
Для решения этих задач учёные разработали алгоритм для проектирования функциональных неупорядоченных структур. При этом они обнаружили новую форму коррелированного беспорядка — материалы, которые не являются полностью неупорядоченными или полностью упорядоченными.
«Представьте себе деревья в лесу — они растут в случайных положениях, но не совсем хаотично, поскольку обычно находятся на определённом расстоянии друг от друга», — объясняет Мартинани. «Этот новый паттерн, гироморфы, сочетает в себе свойства, которые мы считали несовместимыми, и демонстрирует функцию, превосходящую все упорядоченные альтернативы, включая квазикристаллы».
Исследователи заметили, что у каждого изотропного материала с запрещённой зоной есть общая структурная особенность. «Мы хотели сделать эту структурную особенность как можно более выраженной», — добавляет Матиас Касюлис, постдокторант физического факультета Нью-Йоркского университета и ведущий автор статьи. «Результатом стал новый класс материалов — гироморфы, — которые сочетают в себе, казалось бы, несовместимые особенности».
«Это связано с тем, что гироморфы не имеют фиксированной повторяющейся структуры, как кристалл, что придаёт им жидкоподобное беспорядок, но в то же время, если посмотреть на них издалека, они образуют регулярные узоры. Эти свойства работают вместе, создавая запрещённые зоны, через которые световые волны не могут проникнуть с любого направления».
Исследование также включало Аарона Ши, аспиранта Нью-Йоркского университета.