Учёные из Ланкастерского университета и японской лаборатории NTT Basic Research впервые продемонстрировали возможность достижения отрицательного преломления света с помощью упорядоченных атомных решёток. Это открытие может произвести революцию в оптике, приблизив создание суперлинз и устройств невидимости.

Отрицательное преломление – это необычное явление, при котором свет изгибается в противоположном направлении по сравнению с обычным поведением. Долгое время учёные пытались добиться этого эффекта с помощью искусственно созданных метаматериалов, но сталкивались с проблемами несовершенства изготовления и потерь энергии.

Иллюстрация: нейросеть DALL-E

Новый подход, разработанный международной группой исследователей под руководством профессора Янне Руостекоски, основан на использовании атомных решёток – упорядоченных массивов атомов, удерживаемых в определённых положениях с помощью стоячих световых волн. Учёные провели детальное моделирование распространения света через такие атомные структуры.

Ключевым моментом стало обнаружение коллективного отклика атомов на световое воздействие. В отличие от обычных материалов, где атомы взаимодействуют со светом независимо друг от друга, в атомных решётках возникает согласованное поведение. Это приводит к появлению новых оптических свойств, в том числе отрицательного преломления, которые нельзя предсказать, изучая отдельные атомы.

Профессор Руостекоски пояснил: «В таких случаях атомы взаимодействуют друг с другом через световое поле, реагируя коллективно, а не независимо. Это означает, что отклик одного атома больше не даёт простого представления о поведении всего ансамбля».

Использование атомных решёток имеет ряд преимуществ перед искусственными метаматериалами. Атомные системы представляют собой чистую среду без дефектов изготовления. Свет взаимодействует с атомами контролируемым и точным образом, без потерь на поглощение, которые обычно преобразуют свет в тепло.

Доктор Льюис Рукс из лаборатории NTT отметил: «Точно расположенные атомные кристаллы позволяют исследователям контролировать взаимодействие между атомами и светом с необычайной точностью, открывая путь к новым технологиям, основанным на отрицательном преломлении».

Открытие может найти применение в создании «идеальных» линз, способных фокусировать и формировать изображения за пределами дифракционного предела, а также в разработке устройств невидимости, делающих объекты невидимыми. Эти возможности, ранее казавшиеся научной фантастикой, теперь становятся на шаг ближе к реальности.