Физики из США и Японии впервые напрямую «увидели» преломление электронов под отрицательными углами — явление, аналогичное поведению света в средах с отрицательным коэффициентом преломления. Необычный физический эффект наблюдался в графене, слое графита толщиной в один атом. По словам ученых, с его помощью можно добиться создания «электронных линз» на чипе, которые помогут сделать миниатюрными электронные микроскопы. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Колумбии.
Когда волны (например, света) пересекают границу двух сред, происходит явление преломления. Оно связано с тем, что скорость распространения волн в разных средах отличается — это изменяет направление луча света. Подобное изменение скоростей описывается с помощью показателей преломления — соотношений между скоростью света в среде и вакууме. Угол, под которым преломляется луч света, определяется из отношения показателей преломления.
Около полувека назад советский физик Виктор Веселаго описал оптические свойства среды, у которой показатель преломления был бы отрицательным. Эта работа была чисто теоретической и предсказывала необычные свойства у таких объектов. Например, плоская пластинка из такого материала могла сфокусировать свет, испущенный точечным источником. Позднее оказалось, что создать материалы с отрицательным коэффициентом преломления сложно, но возможно.
Однако волновой природой обладают не только фотоны — кванты света. Точно так же, благодаря корпускулярно-волновому дуализму, могут вести себя электроны. Такую их природу можно увидеть, например, в двумерном электронном газе — ситуации, когда электроны могут свободно перемещаться внутри плоскости. При этом частицы двигаются по прямолинейным траекториям, не рассеиваясь — такое движение называется баллистическим.
Через два года другая группа физиков из Южной Кореи впервые разработала устройство, подобное линзе Веселаго. Ученые нашли косвенные свидетельства фокусировки электронов — эффект был слабым. Новая работа американских физиков впервые позволила надежно зафиксировать отрицательное преломление электронов и даже измерить соотношение между углами падения и отражения. Ключевым, по признанию авторов, стало теоретическое моделирование, проведенное по мотивам корейской работы, и разработка нового устройства.
Среди прочего, авторы выяснили, почему фокусировку в линзе Веселаго так трудно наблюдать. Оказалось, что большая доля электронов отражается от границы, если ее ширина превышает определенную критическую величину. Физики оценили ее в пять нанометров. Как отмечают ученые, новая разработка может лечь в основу электронно-оптических устройств, работающих при комнатной температуре.
Оптические среды с отрицательным показателем преломления интересны не только самим фактом фокусировки света, но и разрешающей способностью получаемых линз. Для классических оптических приборов разрешение ограничено длиной волны света — из-за этого оптические микроскопы не позволяют наблюдать детали объектов размером менее 100 нанометров. Линзы Веселаго позволяют обойти этот предел. Также для этих целей используют устройства из метаматериалов, способные преобразовывать эванесцентные волны света (экспоненциально затухающие с удалением от волновода) в распространяющиеся. В прошлом году физики из Университета Буффало создали веерообразную гиперлинзу, действующую по такому принципу, разрешение которой превзошло дифракционный предел.
Владимир Королёв
