При наклонном падении появляется циркулирующий ток, связанный с током в нижнем плече резонатора. Диполь в нижнем плече может излучать только вперед с электрической компонентой поля, ортогональной падающей поляризации. Т.е. при наклонном падении признак магнитного резонанса - поворот поляризации. На рис.2.2(б) волна падает по-другому, так, что при наклонном падении и электрическая, и магнитная компонента оказывают воздействие на резонатор. Эксперименты показали, что резонанс на 1,5 мкм не является результатом действия магнитного поля. Для 2 независимых поляризаций и для разных углов наклона не было найдено дополнительных резонансов.

Нормальные оптические материалы обладают только электрическим дипольным откликом. Здесь были показаны ярко выраженные магнитные дипольные моды на длинах волн 1,5 мкм и на 800 нм, соответственно. Одна из них (на 1,5 мкм) является ''обычным'' резонансом для кольцевого резонатора и действительно приведет к отрицательной магнитной проницаемости. Второй - на 800 нм - магнитный резонанс более высокого порядка, который наблюдается впервые. С одной стороны, нанофабрикация магнитных метаматериалов на этих частотах требует гораздо больших технологических усилий, чем на сверхвысоких частотах. С другой стороны, оптическая спектроскопия может быть выполнена гораздо более удобно. Кроме того, существование лазеров в этой спектральной области позволяет проводить новые нелинейные оптические эксперименты.

Рис.2.3 Направления тока в плечах резонатора для различных случаев наклонного падения.

Кремниевые метаматериалы

Сферические кремниевые наночастицы представляют собой уникальную оптическую систему. Они могут проявлять сильные магнитные резонансы в видимой области спектра. Механизм возбуждения резонанса похож на резонанс в резонаторах в виде разомкнутого кольца, однако, с помощью кремниевых наночастиц можно добиться меньших потерь и уменьшить длины волн магнитного резонанса до видимых частот. Резонанс может наблюдаться в любой области видимого спектра в зависимости от размера частиц.

Рис 3.1 Сравнение кремниевой наночастицы с резонатором в виде разомкнутого кольца.

Вернемся к резонатору в виде разомкнутого кольца. Токи, возбуждаемые внешним электромагнитным излучением и текущие внутри резонатора, порождают поперечно колеблющееся вверх и вниз магнитное поле в центре кольца, которое имитирует осциллирующий магнитный диполь. Основной интерес к резонаторам в виде разомкнутого кольца обусловлен тем, что они имеют отклик на магнитную компоненту падающего излучения, что позволяет добиться отрицательной магнитной проницаемости на оптических частотах. Использование кольцевых резонаторов удобно на гигагерцовом, терагерцовом и ближнем ИК диапазоне, однако, в области видимого света их применение ведет к большим потерям. Кроме того, возникают сложности с изготовлением деталей для таких резонаторов. Альтернативный подход к достижению сильного магнитного отклика с низкими потерями заключается в использовании диэлектрических наночастиц из материала с большим показателем преломления. В качестве такого материала был выбран кремний, обладающий высоким показателем преломления в видимой области спектра (более 3,8 на 633 нм). Для получения кремниевых наночастиц используется техника лазерной абляции. Частицы получаются различных размеров, но они локализованы на подложке, и можно проводить анализ каждой частицы по отдельности. Из фотографий, полученных с помощью темнопольного микроскопа, видно, что частицы по форме близки к сферам.

Для этих частиц цвет определяется в основном сильнейшим резонансным пиком и меняется от синего к красному при увеличении длины волны от 480 до 700 нм. Таким образом, можно сделать вывод, что цвета частиц, изображенных на рисунке, обусловлены магнитным дипольным рассеянием наночастиц кремния.

Резонанс возникает из-за возбуждения конкретных мод внутри частиц с вихревым электрическим полем и магнитным полем, колеблющимся в центре частицы, подобной ''магнитному диполю''.

Рис. 3.2 Кремниевые наночастицы, получаемые методом лазерной абляции.

Эксперимент

Целью моего эксперимента было исследование диэлектрического метаматериала, состоящего из кремниевых сфер.

Идея заключалась в следующем. Один луч лазера делится на два, pump и probe. Эти пучки попадают на образец, при этом pump изменяет свойства среды, а probe служит для того, чтобы наблюдать эти изменения.

Таким образом, pump должен обладать большой мощностью, в то время как мощность probe'а может быть достаточно малой. Для разделения пучков в эксперименте использовалась светоделительная пластина. Pump - это луч, прошедший пластину, probe - луч, отраженный от передней грани. Луч, отраженный от задней грани пластины, не участвовал в эксперименте и зарезался с помощью железной перегородки. С помощью мощьметра были измерены мощности пучков, которые оказались равными 144,7 мВт (pump) и 2,5 мВт (probe). До пластины мощность была равной 149,4 мВт. Таким образом, от первой грани отражается около 1,67% падающего излучения, а проходит через пластину примерно 96,85%.

Первый этап эксперимента заключался в том, чтобы поставить элементы установки так, чтобы пучки приходили на образец без задержки. Признаком успешного выполнения этого требования было появление сигнала на суммарной частоте.

Сложность при выполнении эксперимента заключалась в том, чтобы, во-первых, точно выровнять оптические пути пучков, и, во-вторых, установить зеркала так, чтобы пучки шли на одинаковой высоте параллельно друг другу.

Наблюдался сигнал на удвоенной частоте от pump'а и от probe'а. Сигнал на суммарной частоте, которая равна удвоенной частоте из-за равенства частот pump'а и проба, по мощности должен был быть между сигналами вторых гармоник этих двух лучей. Они получились равными 6,5 мВ и 6 мкВ. Сигнал на суммарной частоте так и не наблюдался из-за возникших трудностей в работе транслятора, но после его ремонта эксперимент возобновится.

В качестве детектора в эксперименте использовался ФЭУ и измеритель мощности. Источник излучения - фемтосекундный лазер, излучающий на длине волны 1560 нм. Длительность импульса - 120 фс. В качестве образца для наблюдения эффекта Керра использовался нелинейный оптический кристалл бората бария(BBO).

Рис 4.1 Схема экспериментальной установки для наблюдения эффекта Керра.

Заключение

Получение отрицательного показателя преломления, создание суперлинз, создание материалов-невидимок, и еще очень много всего - метаматериалы могут изменить взгляд на многие области физики и заставить людей посмотреть по-новому на, казалось бы, давно изученные области науки.

Метаматериалы - новый, перспективный вид материалов, который в настоящее время только начинает изучаться подробно. Сначала магнитные, затем диэлектрические - ученые стремятся снизить потери, используют различные компоненты, меняют форму «атомов», составляющих метаматериал. В этом направлении за последние 15 лет был сделан огромный шаг.

Можно много говорить о перспективах, которые возникают перед нами с использованием метаматериалов, однако, до практического, общедоступного применения их еще далеко. Но, с другой стороны, метаматериалы и возможности, которые они несут, могут оказаться интересными как для военных целей, так и для гражданских, что ускоряет темпы их изучения.

Таким образом, можно сказать, что метаматериалы - это одно из самых интересных и самых важных, на мой взгляд, направлений современной науки. Именно из-за этого я и заинтересовался этой темой.

Список литературы

[1] Г.С. Ландсберг «Оптика». - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

[2] C. Enkrich, M. Wegener, S. Linden, S. Burger, L. Zschiedrich, F. Schmidt, J. F. Zhou, Th. Koschny, and C. M. Soukoulis «Magnetic Metamaterials at Telecommunication and Visible Frequencies» DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.203901

[3] Kuznetsov, A.I., Miroshnichenko, A.E., Fu, Y.H., Zhang, J. & Luk'yanchuk, B. «Magnetic light». Sci. Rep. 2, 492; DOI:10.1038/srep00492 (2012).

[4] С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин, Физическая оптика. - Москва: Изд-во Моск. ун-та, 1998.

[5] James C. Ginn and Igal Brener Realizing Optical Magnetism from Dielectric Metamaterials DOI:10.1103/PhysRevLett.108.097402