Створено матеріал з «повітряним» показником заломлення світла

Дослідники з Північної Кароліни розробили діелектричну плівку, оптичні та електричні властивості якої близькі до звичайного повітря. У своїй роботі, опублікованій в журналі, автори використовують 3D нанолітографію і атомно-шарове осадження для штучного конструювання матеріалу з коефіцієнтом заломлення аж до 1.025 (у повітря приблизно дорівнює одиниці).

Абсолютний коефіцієнт заломлення матеріалу - це величина, рівна відношенню фазових швидкостей світла у вакуумі і в даному середовищі. Зазвичай у щільних матеріалів коефіцієнт заломлення значно більший за одиницю. Якщо «розбавити» більш щільний матеріал повітрям, можна домогтися більш низьких коефіцієнтів заломлення. Саме цю ідею використовували автори статті для створення нового матеріалу.

Основна трудність, з якою зіткнулися дослідники - як зробити матеріал не тільки якомога менш щільним, але і зберегти міцність. Більшість раніше отриманих для цієї мети матеріалів складалися з неупорядкованих пористих структур (нанотрубок або органічного скла) і мали низьку механічну міцність, що ускладнювало їх застосування. Крім того, неупорядкованість часто призводила до посилення розсіювання світла, чим обумовлене, наприклад, каламутне забарвлення аерогелів з діоксиду кремнію. Автори вирішили це завдання, створивши впорядкований наноструктурований матеріал, що складається з оксиду алюмінію (коефіцієнт переломлення близько 1,76) або оксиду цинку (близько 2).

Спочатку за допомогою 3D-нанолітографії вчені виготовили полімерну матрицю з упорядкованими порами всередині. Потім методом атомно-шару облоги на поверхню матриці наносили найтоншу плівку з оксиду, а полімер спалювали. Таким чином, автори отримали найтонші наноструктуровані матеріали, показник переломлення яких склав від 1,3 до 1,025.

Показник заломлення - це одне з основних понять в оптиці, яке визначає характер взаємодії між світлом і матерією. Наприклад, велика різниця в коефіцієнтах заломлення є причиною появи широкої забороненої зони для світла у фотонних кристалах, яка є причиною їх незвичайних властивостей. Багато застосувань потребують якомога більшого контрасту між коефіцієнтами заломлення матеріалів. Найнижче значення мають гази, але для більшості пристроїв потрібні тверді матеріали з високою стабільністю. Найнижчий коефіцієнт заломлення серед твердих природних матеріалів має фторид магнію MgF₂, він дорівнює 1,37.