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

  • 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.
    1959
  • 10/07/2019

    Исследователи создали магнитострикционный сплав редких металлов

    ​Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого совместно с коллегами создали многофункциональные металлические сплавы, которые под воздействием магнитного поля демонстрируют одновременно два эффекта: выделение и поглощение тепла, а также изменение размеров и объема материала.
    884
  • 26/11/2018

    Зачем в России создали центр квантовых технологий?

    ​Первые квантовые компьютеры могут появиться на Земле в ближайшие годы, но какую роль в их "рождении" сыграет Россия? Сергей Кулик, научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ, рассказал, как российские физики будут развивать подобные технологии, и создавать квантовые вычислители в ближайшие годы.
    2247
  • 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.
    605
  • 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.
    1175
  • 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).
    1526
  • 25/12/2019

    Ультрафиолетовый солнечный спектрометр, прокалиброванный в ИЯФ СО РАН, отправлен в космос

    ​Специалисты центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП «СЦСТИ») Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Института прикладной геофизики им.
    366
  • 06/03/2019

    СК и РАН разработают новые способы поиска людей с воздуха и под водой

    ​Следственный комитет России рассчитывает совместно с Российской академией наук (РАН) разработать новые возможности поиска людей с воздуха и под водой, а также разработать приборы и технологии составления портрета преступника по ДНК.
    520
  • 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».
    1096
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    1238