Фізики отримали гіперболічні метаповерхності, на яких можна керувати геометрією поверхневих електромагнітних хвиль, що поширюються. Основу цього метаматеріалу, в якій фронт хвилі має не кругову форму, а гіперболічну, становить багатошаровий почесний гексагональний нітрид бору, пишуть вчені в.
При взаємодії електромагнітного випромінювання з поверхнею деяких матеріалів відбувається утворення поверхневих плазмонів - колективних коливань електронного газу всередині речовини. Об'єднуючись з фотонами, плазмони можуть утворювати ще один тип квазічастинок - поляритони (детальніше про них ви можете прочитати в нашому матеріалі). При цьому, якщо джерело поляритонів точкове, то поширення електромагнітної хвилі по поверхні речовини зазвичай відбувається однаково в усі боки, і хвиля має традиційний круговий фронт.
Теоретичні дослідження передбачали, що в метаматеріалах, у яких діелектрична проникність залежить від напрямку поширення електричного поля, геометрією фронту цієї електромагнітної хвилі можна керувати, перетворюючи його з кругового на гіперболічний. Одним з потенційних кандидатів для створення таких гіперболічних метаповерхностей називали багатошарові почесні матеріали, в яких кілька одиночних одноатомних шарів пов'язані один з іншим ван-дер-ваальсовими зв'язками.
Фізики з Іспанії та США під керівництвом Райнера Хілленбранда (Rainer Hillenbrand) з Баскського наукового фонду Ікербаск запропонували для створення гіперболічних метаповерхностей використовувати багатошаровий гексагональний нітрид бору. Щоб зробити зі звичайного багатошарного нітриду бора товщиною 20 нанометрів метаповерхність, вчені за допомогою методики травлення електронним пучком поділили матеріал поперечними розрізами на окремі смужки, так що ширина цих смужок становила 70 нанометрів, а відстань між ними - від 15 до 50 нанометрів. Коефіцієнт діелектричної проникності біля отриманої поверхні дійсно залежить від напрямку, а його чисельне значення визначається геометрією розрізів.
Для визначення геометрії поширення електромагнітної хвилі по такій поверхні вчені провели експериментальне дослідження з використанням методики близькохворої поляритонної інтерферометрії. За допомогою золотого нанозонду інфрачервоне випромінювання фокусували в одній точці на поверхні, що поширюється від цього точкового джерела хвиля відбивалася від меж дефектів на поверхні, і по інтерференції прямої і відображеної хвиль фізики визначали геометрію фронту. Отримані експериментальні дані вчені перевірили за допомогою чисельного моделювання.
Як і передбачалося теоретичними оцінками, в такій системі, за рахунок відмінностей в діелектричній проникності за різними напрямками, електромагнітна хвиля поширюється не у всіх напрямках, а тільки в двох з них, і її фронт, відповідно, має не форму кола, а поширюється по гіперболі. При цьому потрібну залежність діелектричної проникності можна спостерігати для діапазону частот від 1400 до 1500 зворотних сантиметрів. Звужувати ширину зони поширення гіперболічного фронту поверхнею можна за допомогою збільшення ширини розрізів. Крім того, геометрія фронту електромагнітної хвилі залежить і від частоти інфрачервоного випромінювання.
Автори роботи зазначають, що аналогічні метаповерхності можна отримувати і з інших почесних багатошарових матеріалів, наприклад сульфіду молібдену, селениду вісмуту або графену. За твердженням вчених, змінюючи таким чином склад матеріалу, діапазон довжин хвиль, для яких можливо керувати геометрією фронту поширюються по поверхні плазмон-поляритонних хвиль, може бути сильно розширений. У майбутньому такі матеріали повинні допомогти зменшити розміри чутливих елементів хімічних сенсорів і систем для обробки оптичних сигналів.
Правильно підбираючи геометрію метаповерхності можна, наприклад, позбавлятися від хроматичних аберацій при проходженні світла крізь неї або керувати його напрямком. Якщо ж на поверхню наносити не впорядковані борозни, а розташовувати їх на випадковій відстані один від одного, роблячи масив аперіодичним, то таку систему можна використовувати як багатофункціональний оптичний фільтр, в якому довжина хвилі світла, що проходить крізь нього, залежатиме від кута падіння.
