После десятилетий теоретических разработок физикам удалось создать новый оптический метаматериал из обычных материалов. Его уникальные электромагнитные свойства могут открыть путь к созданию настоящего одностороннего стекла и повысить эффективность солнечных панелей.
Как это работает?
В обычных материалах взаимодействие с электрическим и магнитным полем - а значит, и со светом - определяется свойствами атомов. Однако в оптических метаматериалах атомы заменяются мета-атомами, структуру которых можно искусственно создавать таким образом, чтобы получить редкие в природе свойства. Это позволяет добиться уникальных электромагнитных откликов и манипулировать светом на наноуровне.
Возможность контролировать и управлять светом на наноуровне открывает множество применений метаматериалов в различных областях. Теперь исследователи из Университета Аалто в Финляндии создали новый оптический метаматериал, который может приблизить к реальности идею одностороннего стекла.
В основе разработки лежит так называемый магнитоэлектрический (МЭ) эффект. Он описывает взаимосвязь между магнитными и электрическими свойствами материала. Хотя влияние намагниченности на традиционные материалы на оптических частотах незначительно, его можно усилить с помощью метаматериалов, где намагниченность может быть вызвана электрической составляющей света, а поляризация - магнитной составляющей.
Предыдущие исследования показали, что на микроволновых частотах сильная намагниченность приводит к заметным МЭ-эффектам. Однако, несмотря на два десятилетия теоретических исследований, создать метаматериал, работающий за пределами этого диапазона, было сложно - до сих пор.
Новый метаматериал использует нереципрочный магнитоэлектрический (НМЭ) эффект. Не углубляясь в физику, НМЭ-эффект подразумевает, что свойства намагниченности и поляризации материала связаны с различными компонентами света или других электромагнитных волн.
"До сих пор НМЭ-эффект не находил применения в реальной промышленности. Большинство предложенных подходов работают только для микроволн, а не для видимого света, к тому же их нельзя изготовить с помощью существующих технологий", - говорит Шади Сафаеи Джази, ведущий автор исследования.
Исследователям удалось преодолеть эти трудности, используя существующие технологии и методы нанофабрикации для создания трехмерного оптического НМЭ-метаматериала, отдельные мета-атомы которого, изготовленные из обычных материалов - кобальта и кремния - самопроизвольно намагничиваются.
Новый метаматериал открывает путь к приложениям, для которых обычно требуется сильное внешнее магнитное поле, например, истинное одностороннее стекло.
Истинное одностороннее стекло
Существующее так называемое "одностороннее" стекло на самом деле всего лишь лишь полупрозрачное. Оно пропускает свет в обоих направлениях, и работает как одностороннее только при разнице яркости по обе стороны. С темной стороны такое стекло кажется прозрачным, а с освещенной выглядит как зеркало.
Новому НМЭ-стеклу не нужна такая разница в освещенности. Свет физически может проходить через него только в одном направлении.
"Представьте себе окно с таким стеклом в вашем доме, офисе или машине. Независимо от яркости снаружи, люди не смогут ничего увидеть внутри, в то время как вы будете наслаждаться прекрасным видом из окна”, - говорит Сафаеи.
Метаматериал также обладает потенциалом повысить эффективность солнечных элементов, блокируя тепловое излучение, которое существующие элементы излучают обратно в сторону солнца, уменьшая количество уходящей энергии.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
