Метаматериалы позволяют имитировать прочное сцепление лапок геккона с поверхностью

Трое теоретиков из Саутгемптонского университета (Великобритания) показали, что метаматериалы, находящиеся под внешним облучением вблизи диэлектрической или металлической поверхности, можно использовать для демонстрации оптической силы «сцепления».

Согласно расчётам, сила, о которой идёт речь, имеет резонансную природу, связана с возбуждением плазмонных мод и стремится устранить зазор между планарным метаматериалом и близлежащей поверхностью. При интенсивности освещения, составляющей лишь несколько десятков нановатт на квадратный микрометр, эта сила способна преодолеть действие земного притяжения. Кроме того, она вполне может превосходить по амплитуде силы Ван-дер-Ваальса, обеспечивающие прочное сцепление лапок геккона с гладкими вертикальными стенками.

Вычисления физики проводили на примере золотой плёнки метаматериала, представляющего собой двумерный массив стандартных асимметричных элементов типа «разрезное кольцо». При облучении такая плёнка, разумеется, будет испытывать световое давление, обусловленное передачей импульса в момент попадания фотонов. Соответствующая этому сила F_r зависит от коэффициентов отражения (R) и поглощения (A) и равна (2R + A)Р/с, где Р — мощность падающего излучения, а с — скорость света; в случае идеальной отражающей поверхности F_r принимает максимальное значение 2Р/с. Величина Р/с в дальнейшем используется в качестве единицы измерения оптических сил.

Кроме прекрасно известного давления излучения, на плазмонный метаматериал также должна действовать охарактеризованная авторами сила «сцепления» F_e, которая может и складываться с F_r (при освещении с внешней стороны), и оказаться антипараллельной ей (при облучении со стороны прозрачного диэлектрика). Оба случая рассмотрены на рисунке ниже: легко заметить, что F_e в широком диапазоне длин волн превосходит F_r — а следовательно, метаматериал будет притягиваться к диэлектрику даже тогда, когда этому препятствует давление света. Как и следовало ожидать, амплитуда силы «сцепления» сильно зависит от ширины зазора g, причём на малом значении g = 5 нм она может сразу в 33 раза превосходить амплитуду F_r, быстро уменьшаясь с увеличением размеров щели.

При установке метаматериала несколько другой конструкции рядом с металлической поверхностью F_e, как выяснилось, приобретает ещё бóльшую амплитуду. Именно к этому случаю относятся выводы о возможности преодоления земной гравитации и сил Ван-дер-Ваальса.

По мнению британцев, экспериментально зарегистрировать действие F_e не так уж и сложно. Если они не ошибаются, оптическую силу «сцепления» можно будет использовать в опытах по манипулированию наноразмерными объектами с помощью излучения.

Препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Technology Review.