Zvětšit obrázek

Efektivní permitivita metamateriálu Ag / SiN při různé tloušťce vrstvy a vlnová délka. (Kredit: Fundamental Research on Matter - FOM)

To, jak se světlo v materiálu šíří, závisí na fázové a grupové rychlosti.  Grupová rychlost je rychlost přenosu energie (vlněním). Grupová rychlost přenosu energie nemůže být větší než rychlost světla ve vakuu. Tím se liší od fázové rychlosti. V kvantové mechanice se pohyb částice popisuje pomocí vln, jejichž grupová rychlost odpovídá její klasické rychlosti. Přenosem energie lze šířit signály. Obecně grupová rychlost závisí na vlnové délce, takže vlny o  různých frekvencích se mohou pohybovat různě rychle.
Fázová rychlost popisuje, jak se vrcholy vln a jejich „protikusy“ v daném materiálu šíří. Zatímco rychlost grupová zase popisuje transport energie. Předpoklad, že přenos energie nemůže být nikdy rychlejší než rychlost světla, vyplývá z Einsteinových  ​​zákonů. Ze stejného důvodu je tedy grupová rychlost omezena. Žádné takové omezení se ale nevztahuje na fázovou rychlost. Když fázová rychlost klesá k nule, ustává pohyb vrcholů vln (tedy píků na obě strany). Když je naopak nekonečná, tak vlnová délka dosahuje velice vysokých hodnot. V přírodě se ale žádné materiály s těmito speciálními vlastnostmi nevyskytují.

Spustit animace ZDE

Ilustrace dvoufrekvenční vlny pro pochopení rozdílu mezi fázovou a grupovou rychlostí. Červená tečka se pohybuje fázovou rychlostí, zatímco zelená grupovou rychlostí.

Metamateriál ze stříbra a nitridu ale vědcům dovoluje sledova charakteristiku světla po průchodu elementárními strukturami, které jsou menší než je jeho vlnová délka. Průchod světla různými druhy materiálů závisí na jejich permitivitě: odporu materiálu kladenému elektrickému poli světelných vln.

Zvětšit obrázek

Pohled na metamateriál v elektronovém mikroskopu. Vrstvy stříbra a nitridu křemíku jsou viditelné jako světlé a tmavé pruhy. (Kredit: Fundamental Research on Matter – FOM)

Stříbro má permitivitu negativní a nitrid křemíku pozitivní, takže lze jejich kombinací docílit, že permitivita výsledného materiálu je prakticky rovna nule. Zdá se, že světlu klade nulový odpor, a že se v něm šíří s nekonečnou fázovou rychlostí. Výsledkem je tedy jeho téměř nekonečná vlnová délka.

Nový metamateriál byl vyroben „frézováním“ pomocí iontového svazku. Tato technologie umožňuje vrstvit různé struktury materiálu v nanometrových vsrtvách.  Na skutečnost, že se světlo opravdu  v metamateriálu šíří bez významné změny fáze, což odpovídá téměř nekonečné vlnové délce, přišli díky speciálně konstruovanému interferometru. Od nového poznatku si vědci slibují, že by mohl najít uplatnění v nových optických prvcích, obvodech a v účinnějších LED-diodách.

Literatura:
Experimental realization of an epsilon-near-zero metamaterial at visible wavelengths, DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.256
Nature Photonics
Fundamental Research on Matter (FOM)