Hybrydowe, wieloskalowe metamateriały fotoniczne
Optyka jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną, a dwa ważne obszary badań to fotonika i metamateriały optyczne. Domeną fotoniki jest badanie zjawisk mezoskalowych poprzez traktowanie pakietów światła podobnie jak elektronów w elektronice. Z kolei metamateriały optyczne to materiały posiadające nanostruktury o wymiarach mniejszych od długości fali, które powodują występowanie właściwości rzadko spotykanych w warunkach naturalnych. Kontrolowane połączenie tych dwóch dziedzin w układach hybrydowych może otworzyć drogę do bezprecedensowych i dotychczas niewyobrażalnych właściwości. Proces projektowania takich układów wspomagają modele wieloskalowe opracowane dzięki wsparciu UE dla projektu HYPHONE (Hybrid photonic metamaterials at the multiscale). Przedmiotem badań są tu metamateriały hiperboliczne, należące do najbardziej niezwykłych i ekscytujących nowych metamateriałów elektromagnetycznych. Opracowana teoria opisuje propagację fal w niejednorodnych ośrodkach złożonych z wielu warstw metali i dielektryków w skali hybrydowej. W ośrodkach takich wykorzystywane są jednocześnie zjawiska fotoniczne i egzotyczne fale plazmonowe. Te ostatnie występują jedynie w metamateriałach hiperbolicznych i powstają w wyniku sprzężeń elektronów ze światłem w egzotycznym, nanoskalowym środowisku metalowo-dielektrycznym. Prace rozpoczęto od stworzenia jednowymiarowych warstw plazmonowych, które następnie połączono w wielowarstwowe elementy plazmonowe. Te z kolei posłużą do uzyskania wielowarstwowych i wieloskalowych metamateriałów hiperbolicznych. Naukowcy prowadzą obecnie prace doświadczalne zmierzające do uzyskania takich wieloskalowych metamateriałów hiperbolicznych. Powodzenie otworzyłoby drogę do obrazowania biologicznego bez stosowania markerów oraz manipulowania materiałem biologicznym z nanoskopową precyzją, stwarzając zupełnie nowe możliwości dla współczesnej biologii i chemii. Zasady projektowania struktur jednowymiarowych rozszerzono następnie na struktury dwuwymiarowe oparte na siatkach nanocząsteczek i membranach mikroszczelinowych, zwracając baczną uwagę na maksymalizowanie efektów wynikających z interakcji fotonów z elektronami. Badacze odkryli w siatkach nanocząsteczek nowe zjawiska fotoelektryczne, które mogą doprowadzić do stworzenia nowatorskich fotodetektorów i ogniw słonecznych oraz nowych metod w dziedzinach fotokatalizy, fotochemii i fotoelektrochemii. Doświadczenia potwierdziły przewidywania teoretyczne dotyczące właściwości sterowania polaryzacją membran mikroszczelinowych w zakresie terahercowym. Ten zakres bardzo wysokich częstotliwości ma wiele istotnych zastosowań w spektroskopii, obrazowaniu medycznym i systemach bezpieczeństwa. Modele i wyniki doświadczalne projektu HYPHONE pozwoliły wypełnić lukę dotychczas dzielącą badania nad fotoniką i metamateriałami, torując drogę dla tworzenia nowatorskich rozwiązań do zintegrowanych układów optycznych. Prace konsorcjum były też okazją do przeszkolenia nowego pokolenia naukowców, którzy obecnie są już gotowi do pionierskich badań w nowej dziedzinie interdyscyplinarnej o potencjalnie znacznym wpływie społeczno-gospodarczym.
Słowa kluczowe
Elektromagnetyczne, metamateriały, wieloskalowe, hybrydowe, fotonika, plazmonowe, superwysoka rozdzielczość, fotoelektryczność, polaryzacja, materiały wielowarstwowe
