Los físicos de MIPT han predicho la existencia de medios compuestos transparentes con propiedades ópticas inusuales. Usando simulaciones basadas en tarjetas gráficas, Los científicos estudiaron estructuras de volumen regular compuestas por dos dieléctricos con parámetros cercanos, y descubrió que las propiedades ópticas de estas estructuras difieren tanto de las de los cristales naturales como de las de los compuestos periódicos artificiales, que actualmente están atrayendo mucho interés.

El estudio teórico realizado por el investigador principal Alexey Shcherbakov y el estudiante de sexto año Andrey Ushkov, quienes trabajan en el Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica, está dedicado a medios compuestos específicos que fueron simulados mediante un enfoque elaborado por el grupo. Estos medios permiten la existencia de un efecto llamado birrefringencia:cuando se iluminan con un haz de luz, el rayo original se divide en dos dentro del medio. En su artículo publicado en Óptica Express , los físicos predijeron la existencia de estructuras cristalinas compuestas de un nuevo tipo, en el que la birrefringencia ocurre de una manera bastante diferente a como ocurre en los cristales naturales.

La división de un haz en dos en materiales birrefringentes se debe a la dependencia de las propiedades de un cristal en la dirección de propagación de la onda de luz, y la polarización de las ondas de luz. La polarización es la dirección de las oscilaciones del campo electromagnético en la onda; la luz ordinaria es una mezcla caótica de ondas con diferentes polarizaciones.

Para entender la polarización, imagina una cuerda larga unida por un extremo a una pared. Si alguien estira la cuerda y comienza a mover periódicamente el extremo libre de la cuerda, aparecerán olas. El extremo libre se puede mover horizontal o verticalmente. Toda la cuerda se movería en un plano horizontal o vertical respectivamente, y estas son las dos polarizaciones diferentes de ondas en la cuerda.

Cuando la luz se propaga a través de un cristal birrefringente, algunas de las ondas con un cambio de polarización en una dirección, mientras que los demás, con otra polarización, cambiar en una dirección diferente. Usando esta propiedad, los investigadores pueden utilizar el cristal para filtrar luz parcial o totalmente polarizada según el estado de polarización del haz incidente inicial. Este fenómeno podría haber sido utilizado por los vikingos, que detectó la posición del sol en un cielo nublado con Iceland spar. Hoy en día, Los cristales birrefringentes se utilizan ampliamente en técnicas láser.

La teoría de la birrefringencia involucra los conceptos de eje óptico y superficie de isofrecuencia. El primer término se refiere a una dirección en el cristal en la que la onda incidente no se divide en dos. Por ejemplo, El mástil de Islandia tiene un solo eje óptico, y los cristales de sal no tienen, ya que no poseen birrefringencia. Hay materiales con dos ejes ópticos, como la sal de Glauber, cuyo componente básico se utiliza ampliamente en la industria del vidrio y la fabricación de detergentes. Dentro de la óptica de cristal clásica, excluyendo los efectos magnéticos y girotrópicos (relacionados con la rotación de polarización), todos los cristales se dividen en tres tipos:isotrópicos, y anisotrópico con uno o dos ejes ópticos.

El segundo concepto, superficie de isofrecuencia, ilustra la dependencia de la velocidad de la luz en un cristal de la dirección espacial. Esta superficie se dibuja de tal manera que la longitud de un vector que comienza desde el origen del marco de coordenadas y termina en un punto de la superficie es igual a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el cristal en la dirección indicada por el vector. La superficie de isofrecuencia de un cristal isotrópico es una esfera cuyo radio es igual al índice de refracción del cristal ya que la luz se propaga en un medio isotrópico a la misma velocidad en cualquier dirección. El índice de refracción de los materiales transparentes es siempre mayor que la unidad.

Para medios birrefringentes, la forma de la superficie de isofrecuencia difiere de la esfera. Es más, la superficie en sí parece como si constara de dos partes, una parte interior y una exterior. Estas dos partes ilustran cuán lento se propaga la luz en el cristal que en el vacío en cada dirección para dos polarizaciones de luz diferentes. Los puntos donde las partes de la superficie se cruzan indican los ejes ópticos, direcciones en las que la velocidad de la luz no depende de la polarización. La siguiente figura muestra superficies de isofrecuencia para sal, Espada de Islandia y sal de Glauber.

Más allá de la óptica de cristal clásica, los conceptos básicos de los cuales se enseñan comúnmente a los estudiantes de física, parece que incluso los cristales con una simple celosía cúbica, como la sal, son ópticamente anisotrópicos, es decir., la luz allí se propaga en diferentes direcciones de manera diferente. En el caso más simple, esta anisotropía fue descrita por Hendrik Lorentz a principios del siglo XX. Se encontraron hasta siete ejes ópticos en tales cristales. Este efecto se confirmó experimentalmente a finales del siglo XX cuando los científicos empezaron a utilizar láseres en la investigación. Sin embargo, las dos partes de la superficie de isofrecuencia parecían ser casi indistinguibles (una diferencia relativa de un orden de 10-5-10-6), de modo que tal anisotropía prácticamente desaparece. En tecnologías modernas, solo se tiene en cuenta en montajes de proyección óptica de ultra alta precisión para nanolitografía ultravioleta profunda, que se utiliza en la fabricación microelectrónica moderna.

Además de los cristales naturales, como el birrefringente espato islandés, los científicos pueden manipular la estructura cristalina utilizando materiales artificiales. Los avances en micro y nanofabricación durante las últimas dos décadas impulsaron los estudios de estos materiales artificiales, incluyendo metamateriales y cristales fotónicos, hacia el borde de la ciencia óptica. La disposición atómica o molecular regular se reemplaza por un patrón geométrico regular en estas estructuras. Este patrón se puede comparar con un diseño ornamental en un joyero de madera, pero en tres dimensiones y con una escala de decenas de nanómetros a cientos de micrómetros.

Estructuras regulares artificiales, Los cristales fotónicos y los metamateriales pueden exhibir propiedades ópticas bastante inusuales, que difieren dramáticamente de las propiedades de los cristales naturales. Por ejemplo, La estructuración periódica a micro y nano escalas permite a los científicos superar el límite de difracción en la resolución del microscopio. y crea lentes planas. Los metamateriales pueden tener un índice de refracción negativo y ser fuertemente anisotrópicos ópticamente. El nuevo artículo de Alexey Shcherbakov y Andrey Ushkov cierra la brecha entre los cristales naturales y los materiales fotónicos artificiales mencionados, y describe compuestos ópticos que, por un lado, no pueden describirse dentro del alcance de la cristalografía clásica, y por otro lado no son cristales fotónicos o metamateriales tradicionales.

Los autores de la investigación recientemente publicada utilizaron su propio modelo y método, que ejecutaron en unidades de procesamiento de gráficos NVidia, simular dieléctricos compuestos estructurados periódicamente en tres dimensiones, es decir., una celosía tridimensional de dos materiales transparentes. A diferencia de los metamateriales y los cristales fotónicos, donde el contraste óptico entre los componentes de la red es fuerte, Los físicos de MIPT estudiaron una combinación de bajo índice de refracción y medios de contraste óptico bajo con un período relativamente pequeño, aproximadamente una décima parte de la longitud de onda. A pesar de que no se suponía implícitamente que esta combinación produjera efectos interesantes, la investigación demostró que se pasaron por alto algunos fenómenos físicos interesantes.

Para valores bajos de períodos de estructuras investigadas, sus propiedades ópticas son de hecho indistinguibles del comportamiento óptico de los cristales naturales:los compuestos con una red cúbica son prácticamente isotrópicos, mientras que los compuestos con, por ejemplo, Las celosías tetragonales y ortorrómbicas presentan propiedades uniaxiales y biaxiales. Sin embargo, aumentando el período manteniendo válida la descripción del compuesto como medio eficaz, como demostraron los autores, puede provocar un comportamiento muy inusual.

Primero, aparecen nuevos ejes ópticos (hasta diez ejes en un cristal ortorrómbico). Es más, mientras que las direcciones de los ejes ópticos se fijan dentro de la cristalografía clásica, las direcciones de algunos de los nuevos ejes ópticos resultan depender de la relación entre el período y la longitud de onda. Segundo, en la dirección donde la máxima diferencia de la velocidad de la luz para dos polarizaciones ocurre durante pequeños períodos (la distancia máxima entre las dos partes de la superficie de isofrecuencia), esta diferencia prácticamente puede llegar a cero, o, en otras palabras, la dirección puede convertirse en un eje óptico, en un cierto período relativamente largo. Además, debido al uso del método riguroso, los autores obtuvieron valoraciones cuantitativas sobre la validez de la aproximación del medio efectivo.

"Los científicos realmente mencionaron que es posible que un cristal posea numerosos ejes ópticos a mediados del siglo XX; así se dijo:por ejemplo, por el premio Nobel ruso Vitaly Ginzburg. Sin embargo, en cristales naturales tales efectos son imposibles debido a la pequeñez del período, y no existían tecnologías para fabricar un composite de buena calidad. Adicionalmente, el poder de las máquinas de computación también fue insuficiente para estimar las correcciones necesarias a la permitividad dieléctrica anisotrópica proveniente de la anisotropía reticular. Nuestro resultado se basa en el uso conjunto de métodos modernos de física computacional junto con la alta potencia informática proporcionada por las tarjetas gráficas. En nuestro trabajo también desarrollamos un enfoque que nos permite calcular una respuesta óptica efectiva de un compuesto complejo con precisión controlada en virtud de los llamados cálculos del primer principio (en nuestro caso, una solución rigurosa de las ecuaciones de Maxwell), ", dijo Alexey Shcherbakov al describir los resultados.

Las posibilidades de aplicaciones prácticas pueden surgir después de la validación experimental de las predicciones teóricas. Las tecnologías modernas permiten en principio la fabricación de compuestos de interés para operar en varias bandas ópticas. Por ejemplo, La litografía multifotónica de alta resolución 3-D se puede utilizar para la banda infrarroja, mientras que para la banda de terahercios se puede aplicar microestereolitografía. Los efectos descubiertos hacen que la anisotropía de los cristales artificiales dependa en gran medida de la longitud de onda de la radiación, que no es el caso de los cristales naturales transparentes. Esto puede permitir a los científicos desarrollar nuevos tipos de elementos de control de polarización óptica.