Метаматериалы на эластичной основе имеют настраиваемый рабочий диапазон частот, что расширяет их возможную область применения — от химических детекторов до инфракрасного камуфляжа.

Когда этот массив серебряных оптических резонаторов, нанесенный на полимерную основу, растягивается, меняется длина световых волн, с которыми взаимодействует метаматериал.
Изменение резонансной частоты (в инфракрасном диапазоне) в зависимости от степени растяжения материала.

Метаматериалы сделали возможным появление разнообразных устройств, которые на первый взгляд могут показаться фантастическими: «плащей-невидимок», чрезвычайно чувствительных датчиков, покрытий для солнечных элементов с высокой поглощающей способностью, линз для микроскопов ультра-высокого разрешения…

Метаматериалы взаимодействуют с электромагнитными волнами — в том числе видимого диапазона — позволяя решать задачи, недоступные большинству природных материалов. Однако они (за редким исключением) могут работать в очень ограниченном диапазоне длин волн, что делает их непрактичными — кому нужен плащ-невидимка, обладатель которого «исчезает» только при зеленом освещении?

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали оптический фильтр на основе метаматериала, который способен менять рабочую длину волны при механическом растяжении. Настраиваемые метаматериалы, которые могут работать в широком диапазоне длин волн, могут быть использованы для создания фотоэлектрических элементов, меняющих свои свойства в зависимости от погодных условий для поддержания высокой эффективности, защитных очков, которые реагируют на слепящие блики или, например, устройств для обработки оптических сигналов на высокоскоростных каналах связи.

Вместо того чтобы изготавливать метаматериалы на жесткой основе, исследователи из Caltech нанесли множество серебряных резонаторов на эластичную полимерную пленку. Эти резонаторы «замыкаются» при воздействии определенной длины волны и служат фильтром для излучения в этом диапазоне. Каждый резонатор выполнен в форме соседствующих букв «С» и «I», причем расстояние между ними (около 50 нм в тестовом образце) определяет длину волны, на которой возникает резонанс.

Исследователи во главе с Гарри Атуотером (Harry Atwater), профессором прикладной физики и материаловедения, выяснили, что можно растянуть полимерную подложку на 50%, увеличивая расстояния между двумя элементами резонаторов, а геометрические размеры самих серебряных фрагментов меняться при этом не будут. Это позволило динамически изменять резонансную длину волны в достаточно широких пределах. Правда, вся «рабочая полоса» устройства умещается внутри инфракрасного спектра, но по сравнению с другими метаматериалами — достигнут действительно широкий диапазон рабочих частот.

Несомненным плюсом технологии является то, что она позволяет регулировать резонансную длину волны простыми механическими средствами. Растяжение проще и эффективнее методов, предложенных ранее, считают авторы работы, опубликованной в журнале Nano Letters. В частности, обсуждались «активные» метаматериалы, настраиваемые с использованием электрического напряжения или облучения лазером, но все эти подходы требуют высоких энергозатрат и лишь незначительно меняют свойства метаматериала.

Механическое растяжение гораздо проще контролировать. Стивен Каммер (Steven Cummer), работающий над метаматериалами для микроволнового диапазона, отмечает, что использование Атуотером гибких материалов наталкивает на мысли о новых областях применения его разработок. Например, инфракрасный камуфляж, делающий людей и объекты незаметными для приборов ночного видения. «Как только технология вплотную подойдет к применению на практике, кому-нибудь гибкий метаматериал обязательно понадобится», — говорит Каммер.

Идея механической настройки, скорее всего, может оказаться полезной для широкого спектра метаматериалов, а не только для резонаторов, с которыми работал Атуотер.

Чтобы продемонстрировать возможности настраиваемых метаматериалов, группа Атуотера сконструировала простейший химический детектор. Он определяет, присутствует ли в образце тип углерод-водородных связей, соответствующий некоторой длине волны в спектре излучения. На данном этапе этот прибор — всего лишь доказательство работоспособности концепции, но может оказаться и первым шагом к созданию высокочувствительных датчиков, которые можно вручную настроить на выявление различных химических веществ.

По сообщению Technology Review