Naprzemienne, kilkudziesięcionanometrowe warstwy czystego szkła krzemionkowego i tlenku cynowo-indowego składają się na przestrajalne mikrostruktury fotoniczne na zakres bliskiej podczerwieni. Metamateriał zaprojektowali i przebadali naukowcy z zespołu prof. dr hab. inż. Janusza Parki z Wydziału Nowych i Technologii i Chemii WAT we współpracy z badaczami z Universita della Calabria we Włoszech. Wyniki prac nad wyjątkowym metamateriałem opisano w publikacji w Scientific Reports – poinformował WAT.

NOWE OBLICZE ZNANYCH MATERIAŁÓW

Jak tłumaczy w imieniu grupy badaczy dr Michał Dudek, połączenie tych dwóch materiałów w skali makro jest od lat dobrze znane i powszechnie stosowane – także w takich urządzeniach codziennego użytku, jak smartfony czy telewizory. Tlenek cynowo-indowy jest bowiem wykorzystywany m.in. jako przezroczyste elektrody w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych, cienkowarstwowych ogniwach fotowoltaicznych czy użytkowej elektronice na bazie polimerów.

Zaskakujące i niezwykle ciekawe dla badaczy rezultaty przyniosło jednak stworzenie wielowarstwowej struktury zaprojektowanej na bazie tych materiałów w skali mikro, a nawet nano, gdzie każda z warstw ma zaledwie po 20 nanometrów grubości. W ten sposób powstał tzw. metamateriał hiperboliczny o właściwościach optycznych nieosiągalnych dla zwykłych materiałów.

KIERUNKOZALEŻNOŚĆ I INNE NIECODZIENNE WŁAŚCIWOŚCI

Zaprojektowana mikrostruktura jest anizotropowa, co oznacza, że posiada różne właściwości w zależności od kierunku. W tym przypadku są to dwa kierunki: równoległy do płaszczyzny mikrostruktury i prostopadły do niej.

Przeprowadzone przez badaczy symulacje numeryczne wykazały, że zaprojektowane mikrostruktury pozwalają na skupienie padającej wiązki światła w zakresie bliskiej podczerwieni poniżej limitu dyfrakcyjnego, określanego przez klasyczną optykę.

Dodatkową cechą nowego metamateriału jest jego przestrajalność - w zakresie od ok. 1,5 mikrometra do ok. 2,7 mikometra. Można ją osiągnąć np. poprzez odpowiednie sterowanie napięciem elektrycznym.

LEPSZE OBSERWACJE MIKRO I MAKROSKOPOWE, FOTONIKA

Naukowcy wyliczają, że zaprojektowane przez nich warstwy można wykorzystać w mikroskopach biologicznych lub teleskopach na zakres bliskiej podczerwieni do znacznego poprawienia rozdzielczości przestrzennej obserwowanych obiektów, a także w ultraszybkich modulatorach elektro-optycznych. Ponadto – przewidują zastosowania w produkcji laserów i w fotonice.

"W badanych mikrostrukturach zaobserwowano zjawisko tzw. kanalizacji światła, czyli tendencji do podążania ustaloną drogą bez względu na zmiany czynników zewnętrznych lub wewnętrznych. Efekt ten jest podobny do zjawiska samoogniskowania, występującego w przypadku solitonów optycznych, i pozwala na wytworzenie skupionej wiązki propagującej się prostopadle do płaszczyzny warstwy metamateriałowej. W połączeniu z przestrajalnością w szerokim zakresie bliskiej podczerwieni, zjawiska te mogą być niezwykle pożądane do wytwarzania przestrajalnych diod laserowych, a także w zastosowaniach fotoniki zintegrowanej" - tłumaczą naukowcy, cytowani na stronie uczelni.

Metamateriał hiperboliczny ma wysoką nieliniowość efektywnej przenikalności elektrycznej, która pozwala na zwiększenie gęstości stanów fotonicznych. Zjawisko to może być bezpośrednio wykorzystane do wzmocnienia emisji spontanicznej źródeł jednofotonowych.

OD SYMULACJI DO ZASTOSOWANIA

Prezentowane badania są jedynie symulacjami numerycznymi, jednak bazują na rzeczywistych właściwościach materiałowych warstw tlenku cynowo-indowego, zmierzonych w laboratoriach Zakładu Fizyki i Technologii Kryształów WAT.

W ocenie naukowców obecnie istniejące technologie pozwalają na wytworzenie zaproponowanej mikrostruktury. Badacze zaznaczają, że byłoby to zdecydowanie trudniejsze w przypadku metamateriałów na bazie grafenu, opisanych w poprzedniej publikacji na łamach "Scientific Reports", zgłębiającej świat metamateriałów hiperbolicznych.

(https://www.nature.com/articles/s41598-020-80022-9). Michał Dudek mówi, że nie ma wątpliwości, iż faktyczne wytworzenie opracowanej w WAT struktury oznaczałoby dalszy rozwój metamateriałów, aż do ich komercyjnego zastosowania w urządzeniach fotonicznych i codziennym życiu.

Współautorami publikacji są: dr inż. Alessandro Pianelli, dr Vincenzo Caligiuri, dr inż. Michał Dudek, dr inż. Rafał Kowerdziej, dr Urszula Chodorow, mgr inż. Karol Sielezin, prof. dr Antonio De Luca, prof. dr Roberto Caputo oraz prof. dr hab. inż. Janusz Parka.

Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ zan/