Les physiciens du MIPT ont prédit l'existence de supports composites transparents aux propriétés optiques inhabituelles. En utilisant des simulations basées sur des cartes graphiques, les scientifiques ont étudié des structures volumiques régulières composées de deux diélectriques aux paramètres proches, et a constaté que les propriétés optiques de ces structures diffèrent à la fois de celles des cristaux naturels et des composites périodiques artificiels, qui suscitent actuellement beaucoup d'intérêt.

L'étude théorique menée par le chercheur principal Alexey Shcherbakov et l'étudiant de sixième année Andrey Ushkov, qui travaillent tous les deux au Laboratoire de nanooptique et plasmonique, est consacré à des milieux composites spécifiques qui ont été simulés au moyen d'une approche élaborée par le groupe. Ces médias permettent l'existence d'un effet appelé biréfringence - lorsqu'il est éclairé par un faisceau lumineux, le faisceau d'origine se divise en deux à l'intérieur du support. Dans leur article publié dans Optique Express , les physiciens ont prédit l'existence de structures cristallines composites d'un nouveau type, dans laquelle la biréfringence se produit d'une manière assez différente de celle des cristaux naturels.

La scission d'un faisceau en deux dans les matériaux biréfringents est due à la dépendance des propriétés d'un cristal à la direction de propagation des ondes lumineuses, et la polarisation des ondes lumineuses. La polarisation est la direction des oscillations du champ électromagnétique dans l'onde; la lumière ordinaire est un mélange chaotique d'ondes avec différentes polarisations.

Pour comprendre la polarisation, imaginez une longue corde attachée à une extrémité à un mur. Si quelqu'un tend la corde et commence à déplacer périodiquement l'extrémité libre de la corde, des vagues apparaîtront. L'extrémité libre peut être déplacée horizontalement ou verticalement. La corde entière se déplacerait alors dans un plan horizontal ou vertical respectivement, et ce sont les deux polarisations différentes des ondes dans la corde.

Lorsque la lumière se propage à travers un cristal biréfringent, certaines des ondes avec un décalage de polarisation dans une direction, tandis que les autres, avec une autre polarisation, déplacer dans une direction différente. En utilisant cette propriété, les chercheurs peuvent utiliser le cristal pour filtrer la lumière partiellement ou totalement polarisée selon l'état de polarisation du faisceau incident initial. Ce phénomène aurait pu être utilisé par les Vikings, qui a détecté la position du soleil dans un ciel nuageux avec le spath d'Islande. De nos jours, les cristaux biréfringents sont largement utilisés dans les techniques laser.

La théorie de la biréfringence implique les concepts d'axe optique et de surface isofréquence. Le premier terme désigne une direction du cristal dans laquelle l'onde incidente ne se divise pas en deux. Par exemple, Le spath d'Islande a un seul axe optique, et les cristaux de sel n'en ont pas, car ils ne possèdent pas de biréfringence. Il existe des matériaux à deux axes optiques, comme le sel de Glauber, dont le constituant de base est largement utilisé dans l'industrie du verre et la fabrication de détergents. Dans l'optique à cristal classique, hors effets magnétiques et gyrotropes (liés à la rotation de polarisation), tous les cristaux sont divisés en trois types:isotropes, et anisotrope avec un ou deux axes optiques.

La deuxième notion, surface isofréquence, illustre la dépendance de la vitesse de la lumière dans un cristal sur la direction spatiale. Cette surface est dessinée de telle manière que la longueur d'un vecteur partant de l'origine du repère de coordonnées et se terminant à un point de la surface soit égale au rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de la lumière dans le cristal dans la direction indiquée par le vecteur. La surface isofréquence d'un cristal isotrope est une sphère dont le rayon est égal à l'indice de réfraction du cristal puisque la lumière se propage dans un milieu isotrope à la même vitesse dans n'importe quelle direction. L'indice de réfraction des matériaux transparents est toujours supérieur à l'unité.

Pour les milieux biréfringents, la forme de la surface isofréquence diffère de la sphère. De plus, la surface elle-même semble se composer de deux parties, une partie intérieure et une partie extérieure. Ces deux parties illustrent à quel point la lumière se propage plus lentement dans le cristal que dans le vide dans chaque direction pour deux polarisations lumineuses différentes. Les points d'intersection des parties de la surface indiquent les axes optiques, directions dans lesquelles la vitesse de la lumière ne dépend pas de la polarisation. La figure ci-dessous montre les surfaces isofréquences pour le sel, Spath d'Islande et sel de Glauber.

Au-delà de l'optique à cristal classique, dont les bases sont couramment enseignées aux étudiants en physique, il apparaît que même les cristaux à simple réseau cubique, comme le sel, sont optiquement anisotropes, c'est à dire., la lumière y se propage différemment dans différentes directions. Dans le cas le plus simple, cette anisotropie a été décrite par Hendrik Lorentz au début du 20e siècle. Jusqu'à sept axes optiques ont été trouvés dans de tels cristaux. Cet effet a été confirmé expérimentalement à la fin du 20e siècle lorsque les scientifiques ont commencé à utiliser des lasers dans la recherche. Cependant, les deux parties de la surface isofréquence apparaissaient quasiment indiscernables (différence relative de l'ordre de 10-5-10-6), de sorte qu'une telle anisotropie disparaît pratiquement. Dans les technologies modernes, il n'est pris en compte que dans les montages de projection optique de très haute précision pour la nanolithographie ultraviolette profonde, qui est utilisé dans la fabrication microélectronique moderne.

En plus des cristaux naturels, comme le spath d'Islande biréfringent, les scientifiques sont capables de manipuler la structure cristalline en utilisant des matériaux artificiels. Les progrès de la micro et nanofabrication au cours des deux dernières décennies ont poussé les études de ces matériaux artificiels, y compris les métamatériaux et les cristaux photoniques, vers le bord de la science optique. L'arrangement atomique ou moléculaire régulier est remplacé par un motif géométrique régulier dans ces structures. Ce motif peut être comparé à un motif ornemental sur une boîte à bijoux en bois, mais en trois dimensions et avec une échelle de dizaines de nanomètres à des centaines de micromètres.

Structures régulières artificielles, les cristaux photoniques et les métamatériaux peuvent présenter des propriétés optiques plutôt inhabituelles, qui diffèrent considérablement des propriétés des cristaux naturels. Par exemple, la structuration périodique aux échelles micro et nano permet aux scientifiques de dépasser la limite de diffraction sur la résolution microscopique, et créer des lentilles plates. Les métamatériaux peuvent avoir un indice de réfraction négatif et être fortement anisotropes optiquement. Le nouvel article d'Alexey Shcherbakov et Andrey Ushkov comble le fossé entre les cristaux naturels et les matériaux photoniques artificiels mentionnés, et décrit des composites optiques qui d'une part ne peuvent être décrits dans le cadre de la cristallographie classique, et d'autre part ne sont pas des cristaux ou des métamatériaux photoniques traditionnels.

Les auteurs de la recherche récemment publiée ont utilisé leur propre modèle et méthode, qu'ils exécutaient sur des unités de traitement graphique NVidia, simuler des diélectriques composites périodiquement structurés en trois dimensions, c'est à dire., un réseau 3-D de deux matériaux transparents. Contrairement aux métamatériaux et aux cristaux photoniques, où le contraste optique entre les constituants du réseau est fort, Les physiciens du MIPT ont étudié une combinaison de faible indice de réfraction et de faible contraste optique avec une période relativement petite, environ un dixième de la longueur d'onde. Malgré le fait que cette combinaison n'était généralement pas supposée implicitement produire des effets intéressants, la recherche a démontré que certains phénomènes physiques intéressants ont été négligés.

Pour de faibles valeurs de périodes des structures étudiées, leurs propriétés optiques sont en effet indiscernables du comportement optique des cristaux naturels :les composites à maille cubique sont pratiquement isotropes, alors que les composites avec, par exemple, les réseaux tétragonaux et orthorhombiques présentent des propriétés uniaxiales et biaxiales. Cependant, augmenter la période tout en gardant valide la description du composite comme support efficace, comme les auteurs l'ont démontré, peut provoquer un comportement très inhabituel.

D'abord, il apparaît de nouveaux axes optiques (jusqu'à dix axes dans un cristal orthorhombique). De plus, tandis que les directions des axes optiques sont fixes dans la cristallographie classique, les directions de certains des nouveaux axes optiques s'avèrent dépendantes du rapport période sur longueur d'onde. Seconde, dans la direction où la différence maximale de la vitesse de la lumière pour deux polarisations se produit pour de petites périodes (la distance maximale entre les deux parties de la surface isofréquence), cette différence peut pratiquement aller jusqu'à zéro, ou, en d'autres termes, la direction peut devenir un axe optique, à une certaine période relativement longue. Outre, grâce à l'utilisation de la méthode rigoureuse, les auteurs ont obtenu des évaluations quantitatives sur la validité de l'approximation moyenne effective.

"Les scientifiques ont en fait mentionné qu'il pourrait être possible pour un cristal de posséder de nombreux axes optiques au milieu du 20e siècle - cela a été déclaré, par exemple, par le prix Nobel russe Vitaly Ginzburg. Cependant, dans les cristaux naturels, de tels effets sont impossibles en raison de la petitesse de la période, et il n'y avait pas de technologies pour fabriquer un composite de bonne qualité. En outre, la puissance des machines de calcul était également insuffisante pour estimer les corrections nécessaires à la permittivité diélectrique anisotrope provenant de l'anisotropie du réseau. Notre résultat est basé sur l'utilisation conjointe de méthodes modernes de physique computationnelle ainsi que sur la puissance de calcul élevée fournie par les cartes graphiques. Dans notre travail, nous avons également développé une approche qui nous permet de calculer une réponse optique efficace d'un composite complexe avec une précision contrôlée grâce à ce qu'on appelle des calculs de premier principe (dans notre cas, une solution rigoureuse des équations de Maxwell), " a déclaré Alexey Shcherbakov en décrivant les résultats.

Des possibilités d'applications pratiques peuvent venir après validation expérimentale des prédictions théoriques. Les technologies modernes permettent en principe la fabrication de composites d'intérêt pour un fonctionnement dans diverses bandes optiques. Par exemple, La lithographie multiphotonique 3D haute résolution peut être utilisée pour la bande infrarouge, alors que pour la bande térahertz on peut appliquer la microstéréolithographie. Les effets découverts rendent l'anisotropie du cristal artificiel fortement dépendante de la longueur d'onde du rayonnement, ce qui n'est pas le cas pour les cristaux naturels transparents. Cela pourrait permettre aux scientifiques de développer de nouveaux types d'éléments de contrôle de polarisation optique.