В современном материаловедении особую роль играет умение находить изящные и остроумные решения технологических задач. Поиск новых материалов, их улучшение и оптимизация оказываются сопряжены с необходимостью применить новую идею, или, как в поговорке, хорошо забытую старую.
Вот хороший пример. Метаматериалы – это оптические (композитные по классификации материаловедов) материалы, свойства которых, как и свойства любого композита, значительно отличаются от свойств составляющих его компонентов. Например, появляется резонансная частота отражения, и благодаря ей метаматериал может быть применен в различных оптических схемах и устройствах. В свою очередь, возможность контролируемо менять резонансную частоту открывает перед материалом еще большие перспективы практического применения.
Группа ученых из Калифорнии применила необычный, но довольно логичный в своей сущности подход: нанести отдельные "резонаторы" на эластичную подложку, и за счет изменения взаимодействия между ними и изменения внутренней структуры изменить оптические характеристики.
На рис.1ab приведена микрофотография такого метаматериала, и на ней отчетливо видно изменение внутренней структуры резонатора. По сути, единичный резонатор – это CL – электрическая цепь, и при изменении геометрии резонатора, меняется емкость контактов (за счет изменения зазора) и индуктивность контура (за счет удлинения контура). Впрочем, исследователи не ограничились одной формой резонаторов – были применены 4 типа резонаторов, приведенные на рис. 1c.
В силу различной геометрии, эти резонаторы по-разному откликаются на приложение механического напряжения. На рис.2 приведены зависимости частота ( или длина волны – шкала внизу) – коэффициент отражения. При увеличении деформации сдвиг резонансной частоты увеличивается, а при снятии напряжения происходит релаксация, которую можно также отследить по микрофотографиям (удаление элементов резонаторов друг от друга).
Возникает закономерный вопрос – как же оценить качество того или иного резонатора? Для этого вводится специальное число – показатель качества (в оригинале - Figure of Merit. FOM), которое вычисляется как отношение величины сдвига данного образца при данной величине деформации к полуширине резонансного пика. Эти зависимости приведены на рис.3, и можно наглядно видеть, как по-разному резонаторы могут откликаться на деформацию (важно отметить, что полуширина остается постоянной, т.е. изменение показателя качества характеризует относительную величину сдвига). В качестве демонстрации возможностей нового метаматериала было измерено усиление сигнала на частоте колебания С-Н связи (3,37 микрон) (приведено на рис.4).
Таким образом, резонансная частота этого метаматериала может быть изменена в пределах 400 нм, что позволяет создавать устройства с перестраиваемой резонансной частотой, а также варьировать резонансную частоту в процессе изготовления просто при помощи контролируемой деформации образца.
Оригинальная статья "Highly Strained Compliant Optical Metamaterials with Large Frequence Tunability" была опубликована в Nanoletters 21 сентября 2010 года
