Ученые получают оптические материалы эволюционными методами
 Эволюционные методы проектирования позволяют создавать решетчатые опто-материалы с уникальными свойствами. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Одной из наиболее важных проблем нанооптики сегодня является решение так называемой обратной задачи, т.е. проектирование субволновой структуры таким образом, чтобы получить при ее взаимодействии со светом требуемые свойства. В своей последней работе группа ученых из Northwestern University (США) предложила собственное решение этой задачи.
Их работа началась с, казалось бы, простого дизайна: набора наноструктур на двумерной решетке, где каждый узел решетки либо содержал металлическую структуру, либо нет. Первый сконструированный таким образом фрагмент решетчатого оптоматериала имел 33 наноструктуры, размещенные в узлах сетки. При этом он имел почти бесконечное число способов комбинирования различных структур (21089). Т.е. для одного только этого фрагмента существует почти неограниченное количество возможных вариаций конструкции, причем, каждая из конструкций позволяет перенаправить или сфокусировать свет своим собственным уникальным способом.
Но как найти нужную конфигурацию в таком множестве? Очевидно, что в рамках обычного эксперимента нельзя использовать для оптимизации конфигурации (для получения желаемого оптического свойства) обычные методы вычислений, поскольку на это уйдет слишком много времени. Решение этой проблемы «в лоб» при существующих вычислительных мощностях займет примерно 10291 лет. Чтобы преодолеть эту проблему, ученые разработали специальный «эволюционный» алгоритм, который основан на принципах «выживания сильнейшего (или в данном случае – оптимального)». Алгоритм позволяет найти наилучшую конфигурацию решетчатого материала для получения требуемого оптического свойства.
С его помощью ученые разработали три различных класса решетчатых оптоматериалов. Первый класс позволяет фокусировать свет в более чем одном центре; второй класс – изменяет особенности фокусировки при помощи переключения поляризации падающего света; третий – представляет собой сочетания различенных структур, формирующих сложную линзу с фокусным расстоянием менее размеров дифракционного пятна. Каждый из упомянутых классов решетчатых оптоматериалов имеет преимущества по сравнению со своими оптическими аналогами, произведенными при помощи иных методик. К примеру, чрезвычайно сложно сделать объектив с настраиваемыми параметрами фокуса. Ну а первый из упомянутых классов структур дает возможность фокусировать свет в произвольном числе точек.
Надо отметить, что исследователи не просто предложили классы материалов в рамках вычислительного эксперимента, но и воплотили их в жизнь при помощи золотой пленки. Для этого использовалась техника фрезерования при помощи ионного пучка. Как выяснилось, свойства созданных структур полностью совпали с предсказанными при помощи вычислений.
В ближайшей перспективе команда планирует искать применения для разработанных решетчатых оптоматериалов. В качестве возможных примеров они упоминают повышение пространственного разрешения инструментов для визуализации толстых биологических образов, создание динамических нанооптических ловушек для частиц и т.п.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.
Также по теме:
- Предложен новый простой способ создания нанолент
- Плазма позволяет управлять структурой поверхности нитрида бора
- Ученые создали безвредные для организма наноконтейнеры для лекарств
- Комбинационное рассеяние улучшает техники отображения, используемые в медицине
- Специалисты из США разработали покрытие, способное скрыть объект от тепловизоров
Источники: