Международная группа учёных впервые показала возможность простой реализации так называемого отрицательного преломления света, когда свет при переходе через границу разделения сред вопреки всем законам оптики преломляется в иную сторону. Это не чудо. Явление было теоретически обосновано около 60 лет назад. Но для его реализации использовались метаматериалы, что сложно и работает не до конца. Учёные доказали, что всё может быть намного проще.

Источник изображения: Lancaster University

Как известно, свет — фотоны — взаимодействуют с веществом в основном посредством электрической составляющей, а не магнитной. Фотоны определённой длины волны поглощаются электронами в атомах, электроны переходят на новый энергетический уровень и затем уже возбуждённые испускают фотоны, возвращаясь в прежнее состояние, а фотоны летят дальше в направлении, предписанном им природой.

Коллектив учёных из британского Университета Ланкастера (Lancaster University) и японской NTT Basic Research Laboratories атом за атомом создал такое состояние кристаллической структуры, в которой за взаимодействие с фотонами отвечал коллектив атомов, а не каждый отдельный из них, как в природе. В связь со светом вступала фактически чистая кристаллическая решётка — некий материал, а не метаматериал — конструкт, подверженный дефектам и эффектам поглощения излучения с переводом его в тепло и сопутствующими потерями. Очевидно, новый метод со всех сторон выигрышный, хотя его реализация не так проста, как представляется на первый взгляд.

По сути, речь идёт о создании атомных матриц. Они создаются под строгим контролем и управлением, обеспечивая всегда один и тот же результат. В поставленном опыте исследователи выстраивали атомы в условную периодическую кристаллическую решётку, захватывая их в ловушки стоячей волной светового излучения. Учёные описали это как «коробку из-под яиц», сделанную из света.

Профессор Янне Руостекоски (Janne Ruostekoski) из Университета Ланкастера сказал: «В таких случаях атомы взаимодействуют друг с другом через световое поле, реагируя коллективно, а не независимо. Это означает, что реакция отдельного атома больше не является простым руководством к поведению всего ансамбля. Вместо этого коллективные взаимодействия приводят к появлению новых оптических свойств, таких как отрицательное преломление [света], которые невозможно предсказать, исследуя отдельные атомы индивидуально».

Привлекательность отрицательного преломления света заключается в его потенциально революционных применениях, таких как создание совершенных линз или суперлинз, способных фокусировать и получать изображения за пределами дифракционного предела, включая полупроводниковую литографию с разрешением менее нанометра, или разработка маскирующих устройств, которые делают объекты невидимыми.

Кальмары и головоногие в целом обладают удивительной кожей, которая может менять рисунок по их желанию, что помогает при маскировке, охоте и поиске партнёров. Учёные из Университета Мичигана вдохновились этой особенностью моллюсков и создали чувствительный к магнитным полям пигментный дисплей, для работы которого не нужно никакой электроники.

Источник изображения: Jeremy Little/Michigan Engineering

«Это один из первых случаев, когда механические материалы используют магнитные поля для кодирования на системном уровне, обработки информации и вычислений», — поясняют разработчики. Сегодня для подобных и других интересных целей изобретаются метаматериалы, фактически инженерные решения, состоящие из набора материалов и конструкций. Обычно они достаточно сложные для масштабирования в сторону уменьшения размеров, что затрудняет использование метаматериалов в вычислительной технике и системах отображения. Учёные из Университета Мичигана обошли это ограничение, представив лёгкий и гибкий дисплей, реагирующий только на магнитные поля.

Кожа кальмаров с клетками-хромотофорами понадобилась учёным как пример того, на какое разрешение дисплея лучше всего опираться, чтобы изображение нормально воспринималось человеческим зрением. У моллюсков просто были позаимствованы размеры природных «пикселей». Придуманный учёными метаматериал опирался совсем на другие принципы работы.

В некотором роде исследователи изобрели дисплей E Ink, только на свой лад. Если электронные чернила у компании E Ink — это пигментная взвесь, реагирующая на полярность электромагнитного поля (заряд на управляющей матрице), то в случае магнитного дисплея использовались так называемые частицы Януса. Это широкий спектр материалов, обладающих двумя и более отличающимися свойствами. Простейшим примером частицы Януса можно назвать стрелку компаса. У разных концов стрелки разная полярность и можно заставить магнитом поворачиваться её так или иначе.

Созданные в Университете Мичигана частицы Януса с одной стороны состояли из ферромагнитных микрочастиц неодима (NdFeB) и суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (SPION), а с другой — из такого пигмента, как оксид титана (TiO₂). Соответственно, с одного конца они были оранжевыми, а с другого — белыми. Меняя полярность поднесённого к экрану магнита, можно было сделать его оранжевым или белым, а если расположить за экраном несколько маленьких магнитов заданным образом, то можно было закодировать изображение — намагниченные частички при встряхивании просто собрались бы у магнитов с подходящей полярностью.

Нюанс использования частичек с NdFeB и SPION в том, что неодим реагировал на сильное магнитное поле, а железо — на слабое. В слабом поле с помощью специального ключа — рисунка из магнитов под экраном, дисплей показывал секретное изображение, невидимое при нахождении над сильным магнитом. Таких ключей может быть несколько со своей конфигурацией магнитного рисунка и в каждом случае будет своё изображение.

Учёные полагают, что таким образом можно записывать штрих-коды на рабочую одежду и другую информацию, которую невозможно взломать или вскрыть, ведь устройство не имеет электронной части. Помещение экрана в сильное магнитное поле возвращает общую «неодимовую» картинку, скрывая секретную «железную». Такой дисплей не нуждается в питании и электронике, что может найти своё применение.

Учёные из Германии первыми продемонстрировали возможность хранения целых последовательностей битов в цилиндрических магнитных доменах размером всего 100 нанометров. Благодаря этому можно будет создавать новые типы хранилищ данных и датчиков, а также магнитные устройства для создания нейронных сетей.

Источник изображения: hzdr.de

Группа исследователей из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), Хемницкого технического университета, Дрезденского технического университета и Исследовательского центра Юлиха впервые продемонстрировала возможность хранения не только отдельных битов, но и целых битовых последовательностей в крошечных цилиндрических нанообластях, передаёт ресурс TechPowerUp.

Профессор Олав Хеллвиг (Olav Hellwig) из HZDR объясняет концепцию цилиндрического магнитного домена, также называемого «пузырьковым доменом», как небольшую цилиндрическую область в тонком магнитном слое. Его спины, собственные моменты импульса электронов, создающие магнитный момент в материале, направлены в определённом направлении, что приводит к образованию намагниченности, отличной от остальной среды окружения.

Исследователи уверены, что подобные магнитные структуры обладают огромным потенциалом для спинтронных приложений. При этом ключевым элементом являются доменные стенки, формирующиеся на границах цилиндрического домена. Именно в этих областях происходит изменение направления намагниченности, что может быть использовано для кодирования битов информации.

Стремясь преодолеть ограничения плотности данных современных жёстких дисков, расширяя возможности хранения в трёхмерном пространстве (3D), команда Хеллвига использовала многослойные магнитные структуры, состоящие из чередующихся слоёв кобальта и платины, разделённых слоями рутения. Эти структуры были нанесены на кремниевые подложки, образуя синтетический антиферромагнетик с вертикальной структурой намагниченности.

Далее была применена концепция памяти «racetrack» (гоночная трасса), где биты расположены вдоль этой трассы как нити жемчуга. «Уникальность разработанной нами системы заключается в возможности контролировать толщину слоёв и, следовательно, их магнитные свойства. Это позволяет адаптировать магнитное поведение синтетического антиферромагнетика для хранения не только отдельных битов, но и целых последовательностей битов в форме зависящего от глубины направления намагниченности доменных стенок», — объясняет Хеллвиг.

Результаты исследования немецких учёных открывают перспективу создания новых магниторезистивных датчиков и спинтронных компонентов. Кроме того, такие сложные магнитные нанообъекты имеют большой потенциал для реализации в нейронных сетях, что помогло бы хранить и обрабатывать информацию подобно человеческому мозгу. Результаты труда опубликованы в журнале Advanced Electronic Materials.

Команда учёных опубликовала в журнале Nature Communications информацию о новом микрофотонном многофункциональном метаматериале на основе полимера (Polymer-based Micro-photonic Multi-functional Metamaterial, PMMM). Коэффициент светопропускания нового материала составляет 95 % по сравнению с 91 % у большинства стёкол. Также PMMM самоочищается и отражает инфракрасные волны, поддерживая температуру в помещении на 6 °C ниже, чем снаружи.

Источник изображений: Gan Huang, KIT

PMMM представляет собой тонкую плёнку, которую можно наклеить на поверхность обычного стекла. Свои особые свойства он приобретает благодаря микроскопической структуре поверхности, на которой выгравирован узор из пирамидок шириной всего 10 микрон каждая. Этот узор рассеивает 73 % падающего на плёнку света, что делает поверхность визуально матовой, при этом коэффициент светопропускания PMMM составляет 95 % по сравнению с 91 % у большинства стёкол.

Разработчики утверждают, что новый материал обеспечивает более комфортное освещение не только для людей, но и для растений. «Этот материал позволяет создавать освещённые, безбликовые и обеспечивающие конфиденциальность внутренние помещения для работы и проживания, — утверждает ведущий исследователь Ган Хуанг (Gan Huang). — В теплицах высокий коэффициент пропускания света может повысить урожайность, поскольку эффективность фотосинтеза на 9 % выше, чем в теплицах со стеклянной крышей».

PMMM также обладает способностью отражать инфракрасное излучение, охлаждая помещение за счёт так называемого «радиационного охлаждения». Использование нового материала способно, по утверждению создателей, снизить температуру в помещении на 6 °C по сравнению с температурой окружающей среды.

Разработчики также сообщают о способности PMMM к самоочищению. Выгравированные микроскопические пирамидки обеспечивают материалу гидрофобные свойства, удерживая тончайший слой воздуха, из-за чего капли воды (дождь, роса) скатываются, унося с собой пыль и грязь.

«Этот материал может одновременно оптимизировать использование солнечного света в помещении, обеспечить пассивное охлаждение и снизить зависимость от кондиционирования воздуха, — уверен Хуанг. — Решение масштабируемо и может быть легко интегрировано в планы экологически чистого строительства зданий и городского развития».