Atomien avulla parempia metamateriaaleja

Tutkijat ovat nyt osoittaneet, että negatiivinen taittuminen voidaan saavuttaa käyttämällä atomiryhmiä - ilman keinotekoisesti valmistettuja metamateriaaleja.

Nature Communicationsissa julkaistussa tutkimuksessa Lancasterin fysiikan professori Janne Ruostekoski ja tohtori Kyle Ballantine yhdessä tohtori Lewis Ruksin kanssa NTT Basic Research Laboratoriesista Japanista osoittivat uuden tavan hallita atomien ja valon välistä vuorovaikutusta.

Luonnonmateriaalit ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa atomisiirtymien kautta, joissa elektronit hyppäävät eri energiatasojen välillä. Tällä vuorovaikutusprosessilla on kuitenkin merkittäviä rajoituksia. Esimerkiksi valo on ensisijaisesti vuorovaikutuksessa sen sähkökenttäkomponentin kanssa, jolloin magneettikenttäkomponentti jää suurelta osin käyttämättä.

Nämä luonnollisten materiaalien optisten ominaisuuksien rajoitukset ovat johtaneet keinotekoisesti valmistettujen metamateriaalien kehittämiseen, jotka perustuvat negatiivisen taittumisen ilmiöön.

Negatiivisen taittumisen viehätys piilee sen uraauurtavissa mahdollisissa sovelluksissa, kuten täydellisen objektiivin luominen, joka pystyy tarkentamaan ja kuvaamaan diffraktiorajan yli tai kehittämään peittämislaitteita, jotka tekevät kohteista näkymättömiä.

Vaikka metamateriaaleissa on saavutettu negatiivinen taittuminen, käytännön sovelluksia optisilla taajuuksilla haittaavat edelleen valmistusvirheet ja ei-säteilevät häviöt, jotka rajoittavat edelleen voimakkaasti sovelluksia.

Lancasterin ja NTT:n tiimin uusi lähestymistapa sisältää atomiryhmien läpi etenevän valon yksityiskohtaisten atomi-atomien simulaatiot. Ne osoittavat, että atomien yhteistoiminnallinen vaste voi mahdollistaa negatiivisen taittumisen, mikä eliminoi metamateriaalien tarpeen kokonaan.

Janne Ruostekoski selvittää: "Tällaisissa tapauksissa atomit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa valokentän kautta ja reagoivat kollektiivisesti eikä niinkään itsenäisesti. Tämä tarkoittaa, että yksittäisen atomin vaste ei enää tarjoa yksinkertaista ohjetta koko kokoonpanon käyttäytymiseen. Sen sijaan kollektiiviset vuorovaikutukset synnyttävät esiin tulevia optisia ominaisuuksia, kuten negatiivista taittumista, joita ei voida ennustaa tutkimalla yksittäisiä atomeja erillään."

Nämä vaikutukset ovat mahdollisia vangitsemalla atomeja jaksollisiin optisiin hiloihin. Lewis Rusk täydentää: "Nämä tarkasti järjestetyt atomikiteet antavat tutkijoille mahdollisuuden hallita atomien ja valon välistä vuorovaikutusta poikkeuksellisen tarkasti, mikä tasoittaa tietä uusille negatiiviseen taittumiseen perustuville tekniikoille."

Atomien kollektiivinen käyttäytyminen optisissa hilassa tarjoaa useita keskeisiä etuja. Toisin kuin keinotekoisesti valmistetut metamateriaalit, atomijärjestelmät tarjoavat koskemattoman, puhtaan väliaineen, jossa ei ole valmistusvirheitä. Tällaisissa järjestelmissä valo on vuorovaikutuksessa atomien kanssa hallitusti ja tarkasti ilman absorptiohäviöitä, jotka tyypillisesti muuttavat valon lämmöksi.

Nämä ainutlaatuiset ominaisuudet tekevät atomimediasta lupaavan vaihtoehdon metamateriaaleille negatiivisen taittumisen käytännön sovelluksissa.

Aiheesta aiemmin:

Metapinta-antenni 6G:lle ja meta-atomeja

Pikofotoniikan synty: Kohti aikakidemateriaaleja

Einsteinin jalanjäljissä