Новое зеркало нарушило закон отражения лучей

Схема аномальной поверхности. За счёт плавного градиента в параметрах нанорезонаторов (внизу), световой фронт, падая перпендикулярно, отражается с наклоном (красная линия) (иллюстрация Nanfang Yu/ SEAS).

Учёные из Гарвардского университета заставили свет игнорировать классические законы оптики. Исследователи построили плоское зеркало, отражающее лучи словно кривое. Достижение открывает путь к оптике, обладающей уникальным сочетанием свойств.

Новая технология обращения со светом называется «разрывность фазы» (phase discontinuity), передаёт PhysOrg.com. Суть её заключается в следующем.

На плоскую поверхность кремния наносится узор из тончайших линий золота, причём элементы узора по размеру меньше длины световых волн (к примеру, видимого света). Если эти антенны-резонаторы будут выполнены чуть-чуть разной величины на тех или иных участках поверхности (в частности, образуют плавный градиентный рисунок), то появляется возможность проделывать с отражением почти что угодно.

Команда разработчиков зеркала (по часовой стрелке слева): Патрис Женеве (Patrice Genevet), Наньфан Юй (Nanfang Yu), Федерико Капассо (Federico Capasso), Зино Габурро (Zeno Gaburro) и Михаил Кац (Mikhail A. Kats). Внизу — смоделированный образ, который появился бы в большом зеркале с узором, созданным по новой технологии (фото Eliza Grinnell, Nanfang Yu/ SEAS).

Так плоское зеркало превращается в аналог кривого зеркала из комнаты смеха. Оно начинает растягивать или сжимать различные части изображения.

Более того, таким методом можно на разных участках зеркала (либо аналогичной линзы с наноузором на поверхности) произвольно настраивать угол отражения или преломления (вплоть до отрицательных значений, невозможных с обычными материалами), а ещё — частоту (цвет), амплитуду (яркость) и поляризацию отражённых или прошедших сквозь «интерфейс» лучей. Что и было продемонстрировано в эксперименте с небольшим куском нового материала.

Странные оптические эффекты, вроде штопорообразного вихря света, полученные группой Капассо на плоских поверхностях с произвольной наноструктурой (фото Nanfang Yu/ SEAS).

Авторы разработки поясняют, что она нарушает классические законы отражения и преломления. В них предполагается, что поверхность раздела двух сред с разным показателем преломления (стекло/воздух или воздух/вода) — это просто геометрическое понятие. С новой технологией такая поверхность (по принципу устройства – типичный метаматериал) становится активным элементом, своего рода третьей средой.

Происходит так потому, что металлические нанорезонаторы на неуловимо короткое мгновение задерживают электромагнитную волну в себе, прежде чем отразить обратно или пропустить внутрь (в случае линзы). На схеме под заголовком резонаторы слева удерживают волну чуть-чуть дольше, чем правые.

В результате создаётся разрыв (или сдвиг) фазы в ровном фронте лучей. Да ещё разрыв, который можно произвольно регулировать, меняя упомянутое время задержки света в той или иной точке поверхности.

Гарвардские исследователи вывели обобщённые уравнения, описывающие преломление и отражение света с учётом нанорезонаторов. Интересно, что при отсутствии градиента в параметрах этих самых резонаторов (если они по всему зеркалу одинаковы) новые законы оптики сводятся к существующим.

Учёные утверждают, что техника «phase discontinuity» позволяет создать плоские линзы, фокусирующие свет без аберрации и другие заманчивые вещи. (Подробности — в статье в Science и пресс-релизе университета.)



Российский исцеляющий нанобинт выходит на рынок

29 августа 2011

Физики предсказали нейтроны в форме куба

17 августа 2011

Предложено самое нетривиальное объяснение тёмной материи

12 августа 2011

Новый наноматериал провоцирует рост кровеносных сосудов

2 августа 2011

Учёные улучшили солнечные батареи без Солнца

1 августа 2011
  • Максим Меньшиков  2 сентября, 14:11
    Никаких законов отражения света описанные поверхности с нанесенных на них узорами из пленок металлов, конечно не нарушили! Световые лучи как отражались с «гладких» поверхностей , так и отражаются от поверхностей с напылениями металлов в точном соответствии с общеизвестными законами. Просто отражаются они в данном случае «прихотливо», формируя прихотливые интерференционные картины и формируя наклонный волновой фронт.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  2 сентября, 15:06
    Нет. Эти металлические вкрапления нельзя рассматривать просто как микроскопические зеркала на поверхности кремния, якобы, «просто» отражающие свет в ту или иную сторону. Потому, что размер элементов этих узоров меньше длины волны, для лучей этих рисунков как-бы и нет. Так что они (линии из золота) не могут считаться поверхностями вообще, уголковыми отражателями, катафотом и чем-то подобным. (Почитайте про метаматериалы в оптике, там много найдёте интересного) Фактически тут свет впитывается и переизлучается по иному.
    ОтветитьНравится
  • Виктор Пряничников  2 сентября, 17:54
    Нет. Именно потому, что размеры узоров меняются, появляется возможность направить отраженный луч в нужную сторону. Так что «рисунки для лучей» все-таки есть. Есть аналогия с самолетным радаром, который не имеет движущихся частей, но направляется по разным углам привнесенными фазовыми сдвигами
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  2 сентября, 18:00
    Виктор, но сами стенки тонких полосок — это не металлические «гладкие поверхности», от которых, мол, свет отражается «по обычным законам оптики», как предположил выше Максим. Эти конкретные стенки, эти завитки, свет «не видит», он отражается кажой завитушки в целом (как от антенны с резонатором). Это же другая физика совсем. чем отражение от простого зеркала — вот что Максим не понимает.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  2 сентября, 18:02
    от каждой завитушки как от целого, а не от её частей, как от микроскопических зеркалец — неужели разница не ясна?
    ОтветитьНравится
  • Виктор Пряничников  2 сентября, 18:15
    Ну он и написал «прихотливо», подразумевая, очевидно, неприменимость приближения геометрической оптики
    ОтветитьНравится
  • Ваня Крейцер  2 сентября, 19:12
    В статье именно это и сказано, что классическая модель отражения/преломления не работает в данной ситуации. Поскольку же Максим с этим явно не согласен, значит имел он в виду что-то иное и писал «прихотливо» о другом.
    ОтветитьНравится
  • Максим Меньшиков  2 сентября, 20:02
    Леонид, если рассматривать в микроскоп поверхность обычного зеркала ( упростим-просто гладко отполированную поверхность металла), то заметим грубые неровности, шероховатости и так далее. Если мы увеличим разрешение микроскопа, то на поверхности этих шероховатостей («зёрен») увидим свои зерна, свои шероховатости. И так далее, и так далее. Последовательно увеличивая разрешение ( вплоть до электронного микроскопа), -мы увидим «шероховатости» вплоть до молекулярного уровня (гораздо меньше волны света) ! Но при этом преобладающее направление отражающих плоскостей будет формировать волновой фронт, пареллельный отражающей поверхности. Так что Ваше замечание некорректно. Ваша мысль, что «свет впитывается и переизлучается по-новому» навело меня на мысль, что Вам показалось, что авторы этой работы построили «вечный лазер без накачки».
    Кстати, эффекта, подобного эффекту полученному авторами, можно было добиться и проще ( без золота) -просто рассчитать на компьютере и нанести на поверхность плоской металлической отполированной пластины риски, насечки, ориентированные для создания определенной интерференционной картины-любой, кстати. Нанести лазером, тончайшим алмазным резцом, травлением и так далее.
    ОтветитьНравится
  • Максим Меньшиков  2 сентября, 20:08
    Если уж совсем упростить и вспомнить, что «угол падения равен углу отражения» и сообразить, что в работе этих авторов каждый последующий кусочек ( «элементарное» зеркальце, в составе большого зеркала) отражает свет чуть под другим углом, чем предыдущее зеркальце (с шагом или в периоде), то мы и получим наклонный волновой фронт.
    ОтветитьНравится
  • Максим Меньшиков  2 сентября, 14:18
    Само по себе нанесение на отражающую поверхность насечек, рисок, бороздок, нанесение металлов ( свинца, например), известно еще со средних веков, если не со времен античности-ничего нового в этом нет. Новизна разработки этого коллектива в том, что они общеизвестному явлению придали «новое дыхание»-например, обосновали возможность создавать «плоские отражающие линзы» больших размеров.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  2 сентября, 15:07
    Новиза в том, что за переходом к новому масштабу «рисок» (нанометры) следует качественный скачок — поверхность взаимодействует с электромагнитной волной так, как не может взаимодействовать ни кремний, ни золото по отдельности и макрокуском.
    ОтветитьНравится
  • Максим Меньшиков  2 сентября, 20:14
    Леонид, я уважаю фантастику и охотно ее читаю, но не в данном конкретном случае! Ваши фразы : «от каждой завитушки как от целого, а не от её частей, как от микроскопических зеркалец» «Эти конкретные стенки, эти завитки, свет «не видит», он отражается кажой завитушки в целом»-поставили меня в тупик!
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  2 сентября, 16:17
    -- Вот примерно это я предложил в нанотехнологиях .. но они так ничего и не поняли.. а народ просто делает.. Я могу получать такие структуры — и то заданные с селективными свойствами по спектру .. Но кому это здесь надо ..
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  2 сентября, 18:02
    Кому предложили, простите?
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  2 сентября, 18:11
    -- С нанотех. говорил их отделениями на Урале — там .. лучше промолчу.. деньги в наноденьги переводят.. да я же писал про их схемы
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  2 сентября, 18:12
    -- То что я могу выглядит ещё шикарнее -они будут другого цвета .и т.п...
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  2 сентября, 18:15
    -- Могу делать окна и шторы со 100% характеристикой по спектру..
    ОтветитьНравится
  • Олег Залялов  2 сентября, 18:40
    Жалко я в 1995 году не знал такого красивого слова «нанорезонатор»

    spie.org/x648.html?product_id=226216

    ОтветитьНравится
  • Максим Меньшиков  2 сентября, 20:29
    В приведенной Олегом Заляловым ссылочке прямо говорится про «...алгоритм расчета углового распределения интенсивности рассеянного света от микрорельефа поверхности...», «...соотношения, связывающие характеристики рассеянного света с параметрами дифракционной решетки...»
    Это как раз то, о чем я и говорил выше. Никаких «сенсационных» утверждений, что авторы "нарушили известные законы физики ( отражения света) " нет и в помине!
    И, конечно, нет и в помине фраз типа: «„свет впитывается и переизлучается по-новому“», «от каждой завитушки как от целого, а не от её частей, как от микроскопических зеркалец» «Эти конкретные стенки, эти завитки, свет „не видит“, он отражается кажой завитушки в целом»-как сенсационно и с ликованием заявил Леонид Попов
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  4 сентября, 10:21
     — А вот у меня именно изменение фазового пространства.. Посему — чудес больше будет ..
    ОтветитьНравится
  • Максим Меньшиков  2 сентября, 20:36
    Авторы создали дифракционную решетку, которая прихотливо , с «...с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье...», создала красивую и необычную интерференционную картинку-отражение! Эту же дифракционную решетку можно создать царапанием бороздок, рисками на поверхности пластинки и так далее. И при чем тут «нарушение законов физики» ???
    ОтветитьНравится
  • Иван Касьянов  3 сентября, 12:13
    вашими рисками никогда не добиться правильного изображения, если так рассуждать как вы — то плоские линзы уже есть — зонные пластинки френеля, но они не способны создать качественное изображение в отличии от представленной технолггии, так что подумайте сначала о возможностях и различиях даных технологий прежде чем что либо утверждать
    ОтветитьНравится
  • Максим Меньшиков  4 сентября, 22:07
    Иван, если бы Вы внимательно почитали данную статью, то увидели бы, что авторы статьи еще фактически ничего не создали из предложенного ими ( даже приведенная фотография группы авторов-фотошоп), а только изучают возможности создания плоских линз. Кроме того, авторы предложили создавать их с помощью разработанного ими «... алгоритма быстрого преобразования Фурье...», который и формирует необходимый порядок и ориентацию микрорисок. Так что Ваша отсылка про «зонные пластинки френеля» не имеет никакого отношения к предмету разговора. «зонные пластинки френеля» -это одно, а предложенный авторами алгоритм-это другое. Не смешивайте мух и суп вместе! Это невкусно и вредно!
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  3 сентября, 12:20
    -- Самое главное во всём этом технологии получения метаматериалов.. Именно там интерес.. А использовать их можно практически там где я описывал ..
    ОтветитьНравится
  • Даниил Исаренко  4 сентября, 10:03
    «...позволяет создать плоские линзы, фокусирующие свет без аберрации» — хорошие перспективы выхода на новое качество в бюджетной (бытовой) оптике. легкая, точная, в перспективе — дешевая
    ОтветитьНравится
  • Сергей Столбов  4 сентября, 23:45
    Никакого нарушения законов физики тут конечно нет: это комбинация «хитрых» линз Френеля — тоже плоских, с фазированными решетками на световых длинах волны. И самое важное тут в том, что это технологическое направления обращения со светом открывает возможность создания достаточно широкого класса приборов и устройств их применяющих.
    ОтветитьНравится
  • Олег Апарцев  5 сентября, 09:14
    Это, как видно из описания, просто применение фотолитографии «следующего поколения» специально для оптических приложений. У нас в Сибирскрм Отделении РАН, с синхротронным излучением от ускорителя для кремниевых технологий «баловались» с  70 годов, но ни процессоров, ни памяти, зато население Кремниевой долины существенно пополнилось росийскими учеными.
    ОтветитьНравится
  • Григорий Коганицкий  30 сентября, 18:40
    Я , «на самоиздате», интересные коментарии прочитал на эту тему.
    Может кто то «умникам» ответит ---

    "23. Жид В. (lynx233@yahoo.com) 2011/09/30 17:48 [удалить] [ответить] --http://samlib.ru/comment/g/gera_g/pest4_03

    > > 21.Греев Гера samlib.ru/g/gera_g/pest4_03.shtml
    >> > 19.Жид В.

    >>>излучатели на квантовых точках и управляемые зеркала на нанорезонаторах.
    >>Жесть :) :) :) :) :) :) :).
    …………………….
    …. Да нет, просто эти технологии я видел «вживую», а с кой-какими даже работал(не в России :) ), и то, что написали эти журналюги находится в резком расхождении с, так сказать, практикой применения :) :) :) :) :), в т.ч. применительно к аспекту излагаемом в произведении :).

    Про квантовые точки -- использование однофотонных излучателей в голографии, кагбэ, всерьёз никто не рассматривал по понятным причинам :).

    Что до зеркала на нанорезонаторах -- подобные зеркала, только полностью статичные, делали ещё на заре голографии, а в самой статье журналюги полностью упустили суть, нафига вообще это исследование и в чём оно состоит -- это делается для нового поколения дисплеев, существенно превосходящих свойствами современные компьютерные :). Всего-то :). ….
    "

    ОтветитьНравится
  • Григорий Коганицкий  1 октября, 20:22
    Мысли людей В Е Л И К И Х 
    мимо проходил 2011/10/01 01:29 ( И так далее ) [удалить] [ответить]
    …Накатаю немножко про квантовые точки и зачем они нужны.
    Что такое квантовые точки. Это очень просто, это области материала, имеющие такие геометрические размеры в 1 2 или 3 измерениях….
    …Размеры были великоваты. Более-менее начало получаться годах в 2000х. ….
    …Квантовые точки, которые якобы нужны для изучения эффектов и другого попила бабла, можно сделать более простыми способами, не вбухивая 20-30 лимонов баксов в технологические установки….
    …Больше не сделать, макроскопические эффекты мешают. Их надо много. Очень. Мощность единичного устройства десятки милливатт максимум. Больше в принципе не сделать, у них и так плотность тока в структуре такая, что со взрывом испаряются любые проводники типа меди. ….
    …Практически всю энергию в когерентное в лазерах, но очень небольшую часть практически во все длины волн и не вдоль оси зеркал, а во все стороны. В том числе в инфракрасное и ультрафиолет….
    …заставить устойчиво работать вместе невозможно, это физике противоречит. Той самой, на которой эти приборы сделаны, т.е. квантовой физике. И даже простой элементарной статистике. Не очень большое количество вероятно можно, но чем больше количество, тем сильнее законы макромира начинают влиять……
    …. один атом работает по квантовым законам. И 10, и 100. Соберите миллион, получите просто кусок вещества….
    ….. О том что никакие управляемые зеркала на нанорезонаторах никто и никогда разрабатывать даже пытаться не будет, я думаю вы уже поняли…..
    …Галограмму на нанозеркалах можно сделать легко. При этом рядом с нанозеркалом не должно быть ничего прилично излучающего, тем более на другой стороне подложки. Ну и вообще греть нельзя, электроны в подложку запускать нельзя, почти ничего нельзя….
    …. Иначе вместо миллиардов нанозеркал получите миллиарды генераторов случайных чисел. Квантовых….
    ОтветитьНравится
  • Игорь Машко  13 мая, 20:51
    ...и посмотрелаона в зеркало... Дальше можно не продолжать.
    ОтветитьНравится