Физики нашли способ облегчить проектирование использующих графен и метаматериалы устройств, которые привлекают большое внимание как ученых, так и инженеров.

Ученые создали модель, которая описывает взаимодействие света с произвольной поверхностью и позволяющую напрямую получить так называемую матрицу рассеяния — важнейшую характеристику оптической системы. Работа исследователей из МФТИ и Университета Лиона (Франция) опубликована в журнале Physical Review E. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.

Один из основных этапов разработки оптических систем - на основе информации о падающем на деталь свете предсказать дальнейшее распространение лучей. Для решения этой задачи необходимо рассчитать матрицу рассеяния или, как ее называют специалисты, S-матрицу. Эта задача далеко не тривиальна, поскольку известное из школьной программы правило "угол падения равен углу отражения" работает только для зеркал, да и то при оговорке, что зеркало непрозрачное, идеально чистое и не поглощает света. В современных оптических устройствах могут использоваться разного рода тонкие пленки, а в последние годы возрос интерес к так называемым метаматериалам и метаповерхностям - структурам, которые могут проявлять уникальные свойства, не встречающиеся у природных материалов. Например, они могут представлять собой сложные регулярные структуры вроде гребенки, частокола микроскопических колонн или других фигур. Такие неровности при взаимодействии с падающим светом могут давать самые неожиданные эффекты, например, отрицательный коэффициент преломления.

S-матрица представляет собой прямоугольную таблицу чисел, характеризующих переход от падающих электромагнитных волн к волнам, которые распространяются от поверхности материала. Она позволяет напрямую рассчитать все характеристики рассеянного излучения на основании характеристик падающих волн. Исследователи вывели формулы для расчета компонентов этой матрицы.

"Оптические элементы можно представить составленными из более простых блоков, - рассказывает первый автор работы Алексей Щербаков. - Если мы знаем S-матрицу этого блока, то нам уже неважно, из чего он состоит и какие там микроскопические параметры (форма, размеры, материал). То есть если известна эта характеристика для некоего черного ящика, то уже не так важно, что внутри этого ящика. Зная S-матрицы разных блоков, мы можем их комбинировать с помощью достаточно простого правила, составлять новые элементы и сразу получать новые матрицы. Это более высокий уровень абстракции, чем модельное описание микроскопических параметров оптических подсистем".

Новый подход физики продемонстрировали на примере гофрированной поверхности, которая взаимодействует с терагерцовым излучением. Это излучение, которое в спектре находится между инфракрасным и СВЧ-диапазоном, сегодня активно внедряется в системы безопасности и медицину: оно не так опасно, как рентгеновское, но позволяет, например, увидеть пистолет под одеждой или опухоль под кожей. Физики продемонстрировали, что новая модель способна просчитать, как терагерцовые волны будут отражаться от гребенки со сложным составом: снизу кремний, далее оксид кремния, а на самом верху - графен, известный своей способностью реагировать на терагерцовое излучение возбуждением внутренних электромагнитных колебаний, так называемых плазмонов.

Несмотря на то, что новая работа исключительно теоретическая, она тесно привязана к ряду практических исследований. Современная оптика не ограничивается привычными устройствами ночного видения, фотоаппаратами и микроскопами/телескопами - это лазеры, оптоволоконные линии связи, всевозможные датчики и научные приборы вроде спектрографов. И практически везде возможность целенаправленно менять оптические свойства поверхности играет ключевую роль в проектировании устройства.

Источники

В МФТИ упростили описание "строительных кубиков" оптических наносистем
БезФормата.Ru Подмосковье (podmoskovye.bezformata.ru), 20/06/2018
В МФТИ упростили описание "строительных кубиков" оптических наносистем
Московский физико-технический институт (mipt.ru), 19/06/2018
Физики упростили проектирование оптических наносистем
Новости@Rambler.ru, 19/06/2018
Физики упростили проектирование оптических наносистем
Индикатор (indicator.ru), 19/06/2018
Сибирские ученые помогут телескопу найти темную материю
Институт автоматики и электрометрии (iae.nsk.su), 20/06/2018
Наночастицы нитрида титана повысят производительность оптоволоконных линий связи
Nanonewsnet.ru, 20/06/2018
НАНОЧАСТИЦЫ НИТРИДА ТИТАНА ПОВЫСЯТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОПТОВОЛОКОННЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Русский переплет (pereplet.ru), 20/06/2018
Сибирские ученые помогут телескопу найти темную материю
Российская академия наук (ras.ru), 20/06/2018
Сибирские ученые помогут телескопу найти темную материю
Polpred.com, 22/06/2018
В МФТИ упростили описание "строительных кубиков" оптических наносистем
Научная Россия (scientificrussia.ru), 26/06/2018
Сибирские ученые знают, как увидеть темную материю
Дело (delo-kira.ru), 30/06/2018
Сибирские ученые знают, как увидеть темную материю
Vistanews.ru, 30/06/2018
Сибирские ученые знают, как увидеть темную материю
Монависта (monavista.ru), 30/06/2018
Разработки новосибирских ученых помогут исследователям космоса со всего мира
БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), 30/06/2018
Разработки новосибирских ученых помогут исследователям космоса со всего мира
ГТРК Новосибирск, 30/06/2018
Новости: Сибирские ученые знают, как увидеть темную материю
РИА Свежий Ветер (riasv.ru), 30/06/2018

Похожие новости

  • 19/03/2018

    Российские ученые разработали новый способ борьбы с турбулентностью

    ​Необычный способ борьбы с турбулентностью в авиации разработали ученые Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) и Института проблем машиноведения (ИПМаш) РАН. Для предотвращения тряски и нырков воздушного судна они предлагают оснащать его крылья "перьями" - сотнями маленьких пластинок, самостоятельно меняющих пространственное положение в зависимости от давления воздуха.
    394
  • 19/03/2018

    В Сибирском государственном индустриальном университете получили особо прочный цемент

    ​В рамках соглашения с Институтом катализа Сибирского отделения Российской академии наук в СибГИУ были организованы (под руководством профессора А.Ю. Столбоушкина) совместные исследования по получению шлаковых цементов, модифицированных углеродными нановолокнами (УНВ).
    500
  • 25/06/2018

    Открытие российских ученых повысит быстродействие компьютеров

    ​Ученым НИЦ "Курчатовский институт" удалось создать двумерный материал, который можно использовать при разработке электронных устройств. Результаты проекта, выполненного при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.
    163
  • 03/07/2018

    Российские и корейские ученые разработали нанопену для звукоизоляции

    ​Командой учёных из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), научных центров России и Республики Кореи разработана эффективная и дешёвая в производстве звукопоглощающая нанопена. Материал способен снижать уровень шума на 100% больше стандартных аналогов, реагируя на звуковые волны не только высоких, но и низких частот, особенно опасных для здоровья человека.
    382
  • 04/09/2018

    Институт автоматики и электрометрии СО РАН на Международном форуме «Технопром-2018»

    ​27-30 августа в Новосибирске прошел VI Международный форум технологического развития и выставка «Технопром-2018». Ключевая тема форума в 2018 году - Наука как индустрия в условиях «идеального шторма».
    84
  • 12/07/2017

    В Новосибирской области создана 3D-фабрика в рамках программы реиндустриализации

    ​​"3D-​фабрика уже собрана на территории нашего предприятия, совместно с участниками «Сибирского металлурго-машиностроительного кластера» (СММ-кластер), и готова к тиражированию. В едином рабочем пространстве мы предусмотрели производство аддитивных порошков; их необходимый анализ и кондиционирование с формирование порошковых композиций, как сырья для 3D-принтера; подача порошка в принтер; печать готового изделия из металла.
    955
  • 22/05/2018

    «Экран – оптические системы» инвестирует 2,8 млрд рублей в новое производство в Новосибирске

    ​АО "Экран - оптические системы" совместно с Институтом физики полупроводников СО РАН (ИФП) намерено наладить в Новосибирске производство пластин наногетероструктур на основе арсенида галлия.
    262
  • 04/10/2016

    В Томске создадут «рой» малых спутников в помощь сельскому хозяйству

    ​Томский политехнический университет (ТПУ) и томский Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН) выступят одними из инициаторов проекта по созданию группировки малых космических аппаратов для прорывных технологий в сфере сельского хозяйства, который планируется запустить в 2017 году.
    1569
  • 23/07/2018

    Магнитные нанодиски улучшат качество томографии

    Ученые России и США разработали магнитные наноструктуры, регистрируемые индукционными методами с рекордной чувствительностью в организме лабораторных животных in vivo.  Полученные магнитные микродиски позволят увеличить чувствительность и информативность различных методов визуализации органов и тканей, таких как магнитно-резонансная томография, MPQ и MPI (magnetic particle imaging).
    190
  • 17/09/2018

    Большой адронный коллайдер и фундаментальные вопросы науки

    Россия пока не получила ни одного заказа при модернизации Большого адронного коллайдера, хотя раньше без нее ЦЕРН обойтись в принципе не мог. Ровно десять лет назад в Европейской лаборатории ядерных исследований (ЦЕРН) был запущен Большой адронный коллайдер.
    83