I fisici del MIPT hanno previsto l'esistenza di supporti compositi trasparenti con proprietà ottiche insolite. Utilizzando simulazioni basate su schede grafiche, gli scienziati hanno studiato strutture di volume regolare composte da due dielettrici con parametri ravvicinati, e ha scoperto che le proprietà ottiche di queste strutture differiscono sia da quelle dei cristalli naturali che dai compositi periodici artificiali, che attualmente stanno suscitando molto interesse.

Lo studio teorico condotto dal ricercatore senior Alexey Shcherbakov e dallo studente del sesto anno Andrey Ushkov, che lavorano entrambi nel Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica, è dedicato a specifici media compositi che sono stati simulati mediante un approccio elaborato dal gruppo. Questi media consentono l'esistenza di un effetto chiamato birifrangenza, quando illuminati da un raggio di luce, il raggio originale si divide in due all'interno del mezzo. Nel loro articolo pubblicato su Optics Express , i fisici predissero l'esistenza di strutture cristalline composite di un nuovo tipo, in cui la birifrangenza avviene in modo alquanto diverso da come avviene nei cristalli naturali.

La scissione in due di un fascio nei materiali birifrangenti è dovuta alla dipendenza delle proprietà di un cristallo dalla direzione di propagazione dell'onda luminosa, e la polarizzazione delle onde luminose. La polarizzazione è la direzione delle oscillazioni del campo elettromagnetico nell'onda; la luce ordinaria è una miscela caotica di onde con diverse polarizzazioni.

Per comprendere la polarizzazione, immagina una lunga corda attaccata a un'estremità a un muro. Se qualcuno allunga la fune e inizia a muovere periodicamente l'estremità libera della fune, appariranno le onde. L'estremità libera può essere spostata orizzontalmente o verticalmente. L'intera fune si muoverebbe quindi rispettivamente su un piano orizzontale o verticale, e queste sono le due diverse polarizzazioni delle onde nella corda.

Quando la luce si propaga attraverso un cristallo birifrangente, alcune delle onde con uno spostamento di polarizzazione in una direzione, mentre gli altri, con un'altra polarizzazione, spostare in una direzione diversa. Utilizzando questa proprietà, i ricercatori possono utilizzare il cristallo per filtrare la luce parzialmente o completamente polarizzata a seconda dello stato di polarizzazione del raggio incidente iniziale. Questo fenomeno potrebbe essere stato utilizzato dai Vichinghi, che ha rilevato la posizione del sole in un cielo nuvoloso con longherone islandese. Oggi, i cristalli birifrangenti sono ampiamente utilizzati nelle tecniche laser.

La teoria della birifrangenza coinvolge i concetti di asse ottico e superficie di isofrequenza. Il primo termine si riferisce a una direzione nel cristallo in cui l'onda incidente non si divide in due. Per esempio, Il longherone islandese ha un unico asse ottico, e i cristalli di sale non ne hanno, in quanto non possiedono birifrangenza. Esistono materiali con due assi ottici, come il sale di Glauber, il cui costituente di base è ampiamente utilizzato nell'industria del vetro e nella produzione di detersivi. All'interno dell'ottica cristallina classica, esclusi gli effetti magnetici e girotropici (relativi alla rotazione della polarizzazione), tutti i cristalli sono divisi in tre tipi:isotropi, e anisotropo con uno o due assi ottici.

Il secondo concetto, superficie di isofrequenza, illustra la dipendenza della velocità della luce in un cristallo dalla direzione spaziale. Questa superficie è disegnata in modo tale che la lunghezza di un vettore che parte dall'origine del frame di coordinate e termina in un punto della superficie è uguale al rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel cristallo nella direzione indicata da il vettore. La superficie di isofrequenza di un cristallo isotropo è una sfera il cui raggio è uguale all'indice di rifrazione del cristallo poiché la luce si propaga in un mezzo isotropo alla stessa velocità in qualsiasi direzione. L'indice di rifrazione dei materiali trasparenti è sempre maggiore dell'unità.

Per i media birifrangenti, la forma della superficie dell'isofrequenza differisce dalla sfera. Inoltre, la superficie stessa sembra composta da due parti, una parte interna ed una esterna. Queste due parti illustrano quanto più lentamente la luce si propaga nel cristallo rispetto al vuoto in ciascuna direzione per due diverse polarizzazioni della luce. I punti in cui le parti della superficie si intersecano indicano gli assi ottici, direzioni in cui la velocità della luce non dipende dalla polarizzazione. La figura seguente mostra le superfici di isofrequenza per il sale, Spada islandese e sale di Glauber.

Oltre la classica ottica in cristallo, le cui basi sono comunemente insegnate agli studenti di fisica, sembra che anche i cristalli con un semplice reticolo cubico, come il sale, sono otticamente anisotropi, cioè., la luce si propaga in diverse direzioni in modo diverso. Nel caso più semplice, questa anisotropia è stata descritta da Hendrik Lorentz all'inizio del XX secolo. In tali cristalli sono stati trovati fino a sette assi ottici. Questo effetto è stato confermato sperimentalmente alla fine del XX secolo, quando gli scienziati hanno iniziato a utilizzare i laser nella ricerca. Però, le due parti della superficie dell'isofrequenza sembravano quasi indistinguibili (una differenza relativa dell'ordine di 10-5-10-6), cosicché tale anisotropia praticamente svanisce. Nelle moderne tecnologie, viene preso in considerazione solo nei supporti di proiezione ottica ad altissima precisione per la nanolitografia ultravioletta profonda, che viene utilizzato nella moderna fabbricazione microelettronica.

Oltre ai cristalli naturali, come il longherone islandese birifrangente, gli scienziati sono in grado di manipolare la struttura cristallina utilizzando materiali artificiali. I progressi nella micro e nanofabbricazione negli ultimi due decenni hanno spinto gli studi su questi materiali artificiali, inclusi metamateriali e cristalli fotonici, verso il confine della scienza ottica. La disposizione atomica o molecolare regolare è sostituita da un modello geometrico regolare in queste strutture. Questo motivo può essere paragonato a un disegno ornamentale su un portagioie in legno, ma in tre dimensioni e con una scala da decine di nanometri a centinaia di micrometri.

Strutture regolari artificiali, cristalli fotonici e metamateriali possono esibire proprietà ottiche piuttosto insolite, che differiscono notevolmente dalle proprietà dei cristalli naturali. Per esempio, la strutturazione periodica su scala micro e nano consente agli scienziati di superare il limite di diffrazione sulla risoluzione del microscopio, e creare lenti piatte. I metamateriali possono avere un indice di rifrazione negativo ed essere fortemente anisotropi otticamente. Il nuovo articolo di Alexey Shcherbakov e Andrey Ushkov colma il divario tra i cristalli naturali e i citati materiali fotonici artificiali, e descrive compositi ottici che da un lato non possono essere descritti nell'ambito della cristallografia classica, e d'altra parte non sono cristalli fotonici tradizionali o metamateriali.

Gli autori della ricerca appena pubblicata hanno utilizzato il proprio modello e metodo, che giravano su unità di elaborazione grafica NVidia, simulare dielettrici compositi strutturati periodicamente in tre dimensioni, cioè., un reticolo 3-D di due materiali trasparenti. A differenza dei metamateriali e dei cristalli fotonici, dove il contrasto ottico tra i costituenti del reticolo è forte, I fisici del MIPT hanno studiato una combinazione di indice di rifrazione basso e mezzi di contrasto ottici bassi con un periodo relativamente piccolo, circa un decimo della lunghezza d'onda. Nonostante il fatto che questa combinazione non fosse comunemente implicitamente ipotizzata per produrre effetti interessanti, la ricerca ha dimostrato che alcuni fenomeni fisici interessanti sono stati trascurati.

Per bassi valori dei periodi delle strutture indagate le loro proprietà ottiche sono infatti indistinguibili dal comportamento ottico dei cristalli naturali:i compositi con reticolo cubico sono praticamente isotropi, considerando che i compositi con, Per esempio, reticoli tetragonali e ortorombici mostrano proprietà uniassiali e biassiali. Però, aumentando il periodo mantenendo valida la descrizione del composito come mezzo efficace, come hanno dimostrato gli autori, può causare un comportamento molto insolito.

Primo, compaiono nuovi assi ottici (fino a dieci assi in un cristallo ortorombici). Inoltre, mentre le direzioni degli assi ottici sono fisse all'interno della cristallografia classica, le direzioni di alcuni dei nuovi assi ottici risultano essere dipendenti dal rapporto periodo/lunghezza d'onda. Secondo, nella direzione in cui si verifica per piccoli periodi la massima differenza della velocità della luce per due polarizzazioni (la distanza massima tra le due parti della superficie di isofrequenza), questa differenza può praticamente arrivare a zero, o, in altre parole, la direzione può diventare un asse ottico, in un certo periodo relativamente ampio. Oltretutto, grazie all'uso del metodo rigoroso, gli autori hanno ottenuto valutazioni quantitative sulla validità dell'approssimazione del mezzo efficace.

"Gli scienziati hanno effettivamente affermato che potrebbe essere possibile che un cristallo possieda numerosi assi ottici a metà del 20 ° secolo - questo è stato affermato, Per esempio, dal premio Nobel russo Vitaly Ginzburg. Però, nei cristalli naturali tali effetti sono impossibili a causa della piccolezza del periodo, e non c'erano tecnologie per fabbricare un composito di buona qualità. Inoltre, la potenza delle macchine di calcolo era inoltre insufficiente per stimare le necessarie correzioni alla permittività dielettrica anisotropa derivante dall'anisotropia reticolare. Il nostro risultato si basa sull'uso congiunto di moderni metodi di fisica computazionale insieme all'elevata potenza di calcolo fornita dalle schede grafiche. Nel nostro lavoro abbiamo anche sviluppato un approccio che ci permette di calcolare una risposta ottica effettiva di un composito complesso con precisione controllata in virtù dei cosiddetti calcoli di primo principio (nel nostro caso, una soluzione rigorosa delle equazioni di Maxwell), " ha detto Alexey Shcherbakov descrivendo i risultati.

Possibilità di applicazioni pratiche possono venire dopo la convalida sperimentale delle previsioni teoriche. Le moderne tecnologie consentono in linea di principio la fabbricazione di compositi di interesse per il funzionamento in varie bande ottiche. Per esempio, La litografia multifotone 3D ad alta risoluzione può essere utilizzata per la banda infrarossa, mentre per la banda terahertz si può applicare la microstereolitografia. Gli effetti scoperti rendono l'anisotropia dei cristalli artificiali fortemente dipendente dalla lunghezza d'onda della radiazione, cosa che non avviene per i cristalli naturali trasparenti. Ciò potrebbe consentire agli scienziati di sviluppare nuovi tipi di elementi di controllo della polarizzazione ottica.