Физики из Университета ИТМО разработали модель притягивающего оптического луча для захвата частиц на основе новых искусственных материалов. С помощью такого луча можно передвигать частицы или клетки навстречу источнику излучения. Исследование показало, что гиперболические метаповерхности перспективны для экспериментов по созданию притягивающего луча, а также для его практических применений. Результаты опубликованы в ACS Photonics.

Притягивающие лучи знакомы многим по фильму «Звездные войны», сериалу «Звездный путь» и изображениям, на которых летающая тарелка похищает корову. Ученые давно работают над тем, чтобы получить такие лучи в реальности и уже сейчас существует несколько способов, которыми можно заставить объекты двигаться к источнику света. Пока это, правда, отдельные маленькие частицы и атомы, а не целые коровы.

Ученые из Университета ИТМО предложили использовать метаматериалы для создания таких притягивающих лучей. Метаматериалы – это искусственные периодические структуры из повторяющихся элементов, с необычными оптическими свойствами. Например, в метаматериалах могут существовать гиперболические моды: особые состояния электромагнитного поля, которые возникают при взаимодействии метаматериала со светом. Такие состояния позволяют управлять оптическими силами, действующими на объекты на поверхности подобных материалов, и, как выяснилось, передвигать частицы по направлению к источнику света.

«Наша статья полностью посвящена созданию луча притяжения на основе метаповерхностей и тщательному исследованию физики, которая за этим стоит. Мы выяснили, что основа этого эффекта – распространение гиперболических мод в метаматериалах. Такие моды являются дополнительным каналом рассеяния и, согласно закону сохранения импульса, могут подталкивать частицу в направлении источника света. При этом метаматериалы обладают рядом других преимуществ по сравнению с альтернативными способами получения притягивающего луча. За счет этого метаповерхности удобнее для практического применения», – рассказывает руководитель международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО Александр Шалин.

В 2016 году ученые из Университета ИТМО предложили модель луча притяжения на основе плазмонного резонанса и распространяющихся поверхностных плазмонных волн: колебаний электронного газа вблизи поверхности металла. Плоская подложка позволила работать на всей поверхности материала, а не только в определенных точках, как в классических плазмонных пинцетах. Однако новая работа показала, что метаматериалы на основе плоскослоистых структур, поддерживающих и гиперболические, и плазмонные моды, послужат ещё лучшей основой для создания луча притяжения. Метаповерхности и метаматериалы позволяют работать во всем видимом диапазоне длин волн и лучше справляются с потерями энергии. Все это делает их более перспективными для экспериментальной реализации притягивающего луча.

«В наших дальнейших планах провести эксперименты по получению притягивающего луча. Это обязательный шаг на пути к практическому применению этого явления. Несмотря на то что притягивать космические корабли и похищать коров таким лучом в ближайшее время не получится, его можно использовать, например, для создания специальных ловушек для частиц и клеток или для селективного проведения химических реакций», – отмечает Александра Ивинская, первый автор статьи из международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО.

Статья: Optomechanical Manipulation with Hyperbolic Metasurfaces. A. Ivinskaya et al. ACS Photonics, 17 October.

Анастасия Комарова

Центр научной коммуникации