С древних времен люди проводили эксперименты со светом, лелея блестящие металлы, такие как золото, и ограняя драгоценные камни, чтобы украсить свои блестки. Сегодня мы намного более продвинуты в том, как мы работаем с этой вездесущей энергией. Начиная с экспериментов 19-го века, мы начали исследовать, как свет взаимодействует с веществом.
Метаматериалы
Объединение нескольких материалов в сложные структуры позволяет нам использовать свет по-новому. Мы создали линзы и зеркала, чтобы сделать телескопы, чтобы всматриваться во вселенную, и микроскопы, чтобы исследовать мир маленьких. Сегодня эта работа продолжается, на гораздо более детальном уровне. Мы можем создавать метаматериалы, чтобы реагировать определенным образом на определенные частоты света. Например, мы можем создать интеллектуальный фильтр для инфракрасных камер, который позволит пользователю легко определить, является ли белый порошок в конверте пищевой содой или сибирской язвой, определить, является ли меланома кожи доброкачественной или злокачественной, и найти канализационную трубу в вашем подвале без прорыва через бетон. Это всего лишь несколько приложений для одного устройства; метаматериалы в целом гораздо более мощные.
Работа со светом
То, что ученые называют экспериментами со «светом», - это не только то, что мы видим, а все электромагнитное излучение - от низкочастотных радиоволн до высокочастотных рентгеновских лучей. Обычно свет проходит через материал с меньшей скоростью. Например, видимый свет проходит через стекло примерно на 33 процента медленнее, чем через воздух. Фундаментальное сопротивление материала передаче света на определенной частоте называется его «показателем преломления». Хотя это число изменяется с частотой света, оно начинается с 1 - показателя преломления для вакуума - и повышается. Чем выше индекс, тем медленнее движется свет и тем больше изгибается его путь. Это видно при взгляде на соломинку в стакане воды и является основой того, как мы изготавливаем линзы для очков, телескопов и другой оптики. Ученые долго задавались вопросом, могли ли бы они сделать материал с отрицательным показателем преломления на любой данной частоте. Это будет означать, например, что при входе в материал свет изгибается в противоположном направлении, что позволяет изготавливать линзы новых типов. Ничто в природе не вписывается в эту категорию. Свойства такого материала - если бы он существовал - были предсказаны Виктором Веселаго в 1967 году. Эти странные материалы имеют свойства, которые выглядят очень странно по сравнению с нашим повседневным опытом. В настоящее время мы можем создавать только метаматериалы, которые управляют взаимодействием с очень специфическими частями электромагнитного спектра. Поскольку исследователи работают с более короткими длинами волн, компоненты метаматериала должны быть намного меньше, что сложнее построить. После первых экспериментов несколько исследовательских групп создали метаматериалы, которые работают в инфракрасном диапазоне; некоторые огибают край видимой части спектра.