Físicos do MIPT previram a existência de mídia composta transparente com propriedades ópticas incomuns. Usando simulações baseadas em placas gráficas, cientistas estudaram estruturas de volume regulares compostas de dois dielétricos com parâmetros próximos, e descobriram que as propriedades ópticas dessas estruturas diferem tanto daquelas dos cristais naturais quanto dos compostos periódicos artificiais, que atualmente estão atraindo muito interesse.

O estudo teórico conduzido pelo pesquisador sênior Alexey Shcherbakov e o estudante do sexto ano Andrey Ushkov, que trabalham no Laboratório de Nanoótica e Plasmônica, é dedicado a mídias compostas específicas que foram simuladas por meio de uma abordagem elaborada pelo grupo. Esses meios permitem a existência de um efeito chamado birrefringência - quando iluminada por um feixe de luz, o feixe original se divide em dois dentro do meio. Em seu artigo publicado em Optics Express , os físicos previram a existência de estruturas cristalinas compostas de um novo tipo, em que a birrefringência ocorre de uma maneira bastante diferente da forma como ocorre nos cristais naturais.

A divisão de um feixe em dois em materiais birrefringentes é devido à dependência das propriedades de um cristal na direção da propagação da onda de luz, e a polarização das ondas de luz. Polarização é a direção das oscilações do campo eletromagnético na onda; a luz comum é uma mistura caótica de ondas com polarizações diferentes.

Para entender a polarização, imagine uma longa corda presa em uma das extremidades de uma parede. Se alguém esticar a corda e começar a mover periodicamente a extremidade livre da corda, ondas irão aparecer. A extremidade livre pode ser movida horizontal ou verticalmente. A corda inteira então se moveria em um plano horizontal ou vertical, respectivamente, e essas são as duas polarizações diferentes de ondas na corda.

Quando a luz se propaga através de um cristal birrefringente, algumas das ondas com uma mudança de polarização em uma direção, enquanto os outros, com outra polarização, mudar em uma direção diferente. Usando esta propriedade, os pesquisadores podem usar o cristal para filtrar a luz parcial ou totalmente polarizada, dependendo do estado de polarização do feixe incidente inicial. Este fenômeno pode ter sido usado por Vikings, que detectou a posição do sol em um céu nublado com Islândia spar. Hoje em dia, os cristais birrefringentes são amplamente utilizados em técnicas de laser.

A teoria da birrefringência envolve os conceitos de eixo óptico e superfície de isofrequência. O primeiro termo se refere a uma direção no cristal em que a onda incidente não se divide em duas. Por exemplo, A longarina da Islândia tem um único eixo óptico, e os cristais de sal não têm nenhum, pois não possuem birrefringência. Existem materiais com dois eixos ópticos, como o sal de Glauber, cujo constituinte básico é amplamente utilizado na indústria do vidro e na fabricação de detergentes. Dentro da ótica de cristal clássica, excluindo efeitos magnéticos e girotrópicos (relacionados à rotação de polarização), todos os cristais são divididos em três tipos:isotrópico, e anisotrópico com um ou dois eixos ópticos.

O segundo conceito, superfície de isofrequência, ilustra a dependência da velocidade da luz em um cristal na direção espacial. Esta superfície é desenhada de tal forma que o comprimento de um vetor começando na origem do quadro de coordenadas e terminando em um ponto da superfície é igual à razão da velocidade da luz no vácuo para a velocidade da luz no cristal na direção indicada por o vetor. A superfície de isofrequência de um cristal isotrópico é uma esfera cujo raio é igual ao índice de refração do cristal, uma vez que a luz se propaga em um meio isotrópico na mesma velocidade em qualquer direção. O índice de refração de materiais transparentes é sempre maior do que a unidade.

Para mídia birrefringente, a forma da superfície de isofrequência difere da esfera. Além disso, a própria superfície parece consistir em duas partes, uma parte interna e uma externa. Essas duas partes ilustram como a luz se propaga mais lentamente no cristal do que no vácuo em cada direção para duas polarizações de luz diferentes. Os pontos onde as partes da superfície se cruzam indicam os eixos ópticos, direções nas quais a velocidade da luz não depende da polarização. A figura abaixo mostra superfícies de isofrequência para sal, Islândia spar e sal de Glauber.

Além da ótica de cristal clássica, cujos princípios básicos são comumente ensinados a estudantes de física, parece que mesmo os cristais com uma estrutura cúbica simples, como sal, são opticamente anisotrópicos, ou seja, a luz ali se propaga em diferentes direções de maneira diferente. No caso mais simples, esta anisotropia foi descrita por Hendrik Lorentz no início do século XX. Até sete eixos ópticos foram encontrados em tais cristais. Esse efeito foi confirmado experimentalmente no final do século 20, quando os cientistas começaram a usar lasers em pesquisas. Contudo, as duas partes da superfície de isofrequência pareciam quase indistinguíveis (uma diferença relativa de uma ordem de 10-5-10-6), de modo que tal anisotropia praticamente desaparece. Em tecnologias modernas, só é levado em consideração em montagens de projeção óptica de ultra-alta precisão para nanolitografia ultravioleta profunda, que é usado na fabricação microeletrônica moderna.

Além de cristais naturais, como a Islândia birrefringente spar, os cientistas são capazes de manipular a estrutura do cristal usando materiais artificiais. Os avanços na micro e nanofabricação durante as últimas duas décadas impulsionaram os estudos desses materiais artificiais, incluindo metamateriais e cristais fotônicos, em direção ao limite da ciência óptica. O arranjo atômico ou molecular regular é substituído por um padrão geométrico regular nessas estruturas. Este padrão pode ser comparado a um desenho ornamental em uma caixa de joias de madeira, mas em três dimensões e com uma escala de dezenas de nanômetros a centenas de micrômetros.

Estruturas regulares artificiais, cristais fotônicos e metamateriais podem exibir propriedades ópticas bastante incomuns, que diferem dramaticamente das propriedades dos cristais naturais. Por exemplo, a estruturação periódica em escalas micro e nano permite que os cientistas superem o limite de difração na resolução do microscópio, e criar lentes planas. Metamateriais podem ter um índice de refração negativo e ser fortemente anisotrópicos opticamente. O novo artigo de Alexey Shcherbakov e Andrey Ushkov preenche a lacuna entre os cristais naturais e os materiais fotônicos artificiais mencionados, e descreve compósitos ópticos que, por um lado, não podem ser descritos dentro do escopo da cristalografia clássica, e, por outro lado, não são cristais fotônicos ou metamateriais tradicionais.

Os autores da pesquisa recém-publicada usaram seu próprio modelo e método, que rodavam em unidades de processamento gráfico NVidia, para simular dielétricos compostos periodicamente estruturados em três dimensões, ou seja, uma rede 3-D de dois materiais transparentes. Em contraste com metamateriais e cristais fotônicos, onde o contraste óptico entre os constituintes da rede é forte, Os físicos do MIPT estudaram uma combinação de baixo índice de refração e baixo meio de contraste óptico com um período relativamente pequeno, cerca de um décimo do comprimento de onda. Apesar do fato de que esta combinação não foi comumente assumida implicitamente para produzir quaisquer efeitos interessantes, a pesquisa demonstrou que alguns fenômenos físicos interessantes foram negligenciados.

Para valores baixos de períodos de estruturas investigadas, suas propriedades ópticas são de fato indistinguíveis do comportamento óptico de cristais naturais:compósitos com uma rede cúbica são praticamente isotrópicos, enquanto compósitos com, por exemplo, as redes tetragonal e ortorrômbica exibem propriedades uniaxiais e biaxiais. Contudo, aumentando o período, mantendo válida a descrição do composto como um meio eficaz, como os autores demonstraram, pode causar um comportamento muito incomum.

Primeiro, aparecem novos eixos ópticos (até dez eixos em um cristal ortorrômbico). Além disso, enquanto as direções dos eixos ópticos são fixadas na cristalografia clássica, as direções de alguns dos novos eixos ópticos acabam sendo dependentes da relação entre o período e o comprimento de onda. Segundo, na direção onde ocorre a diferença máxima da velocidade da luz para duas polarizações por pequenos períodos (a distância máxima entre as duas partes da superfície de isofrequência), essa diferença pode praticamente chegar a zero, ou, em outras palavras, a direção pode se tornar um eixo óptico, em um determinado período relativamente grande. Além do mais, devido ao uso do método rigoroso, os autores obtiveram avaliações quantitativas sobre a validade da aproximação efetiva do meio.

"Os cientistas realmente mencionaram que pode ser possível que um cristal possua vários eixos ópticos em meados do século 20 - isso foi afirmado, por exemplo, pelo vencedor do prêmio Nobel russo Vitaly Ginzburg. Contudo, nos cristais naturais tais efeitos são impossíveis devido à pequenez do período, e não havia tecnologias para fabricar um compósito de boa qualidade. Adicionalmente, o poder das máquinas de computação também era insuficiente para estimar as correções necessárias para a permissividade dielétrica anisotrópica proveniente da anisotropia de rede. Nosso resultado é baseado no uso conjunto de métodos modernos de física computacional juntamente com o alto poder computacional fornecido pelas placas gráficas. Em nosso trabalho, também desenvolvemos uma abordagem que nos permite calcular uma resposta óptica eficaz de um composto complexo com precisão controlada em virtude dos chamados cálculos de primeiro princípio (no nosso caso, uma solução rigorosa das equações de Maxwell), "disse Alexey Shcherbakov descrevendo os resultados.

Possibilidades para aplicações práticas podem surgir após a validação experimental das previsões teóricas. As tecnologias modernas permitem, em princípio, a fabricação de compósitos de interesse para operação em várias bandas ópticas. Por exemplo, A litografia multifotônica 3-D de alta resolução pode ser usada para a banda infravermelha, enquanto para a banda terahertz pode-se aplicar a microstereolitografia. Os efeitos descobertos tornam a anisotropia de cristal artificial fortemente dependente do comprimento de onda da radiação, o que não é o caso dos cristais naturais transparentes. Isso pode permitir que os cientistas desenvolvam novos tipos de elementos de controle de polarização óptica.