Автор: Дмитрий Сафин
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.
| Лапка геккона и общая схема эксперимента, в котором плёнка метаматериала могла бы притягиваться к диэлектрической поверхности за счёт действия оптической силы «сцепления» (иллюстрация авторов работы). |
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 Fr 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 Fr 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» Fe, которая может и складываться с Fr (при освещении с внешней стороны), и оказаться антипараллельной ей (при облучении со стороны прозрачного диэлектрика). Оба случая рассмотрены на рисунке ниже: легко заметить, что Fe в широком диапазоне длин волн превосходит Fr — 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 Fr, быстро уменьшаясь с увеличением размеров щели.
| В верхней части рисунка (a) даны спектры отражения (R), пропускания (T) и поглощения (A) для золотой плёнки метаматериала толщиной в 50 нм, расположенной в 20 нм от поверхности диэлектрика с показателем преломления n = 2,5. На врезке показана геометрия одиночной ячейки метаматериала. В середине (b) расположен график результирующей силы (F), действующей на метаматериал, освещаемый с открытой стороны, а в самом низу — то же для метаматериала, облучаемого через диэлектрик. Чёрной пунктирной линией отмечена результирующая сила, которая действовала бы на неструктурированную золотую плёнку. Положительные значения Р/с отвечают силам, стремящимся уменьшить величину зазора g. (Иллюстрация авторов работы.) |
При установке метаматериала несколько другой конструкции рядом с металлической поверхностью Fe, 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 Fe 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.