Τα υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης απλοποιούνται

Από την ιστοσελίδα του Physics Web, 18 Οκτωνρίου 2003

Οι φυσικοί παρατήρησαν αρνητική διάθλαση σ' ένα συνηθισμένο κρύσταλλο για πρώτη φορά. Συγχρόνως παρατηρήθηκε διάθλαση χωρίς να συνοδεύεται από ανάκλαση. Το υλικό αυτό που παρασκευάστηκε από ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Ενεργειών των ΗΠΑ, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για κατασκευή φακών που δεν ανακλούν το φως και για τη μελέτη νέων οπτικών φαινομένων. 

Τα υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης ή αριστερόστροφα υλικά, που προτάθηκαν για πρώτη φορά πριν από 30 περίπου χρόνια, έχουν την ιδιότητα να κάμπτουν το φως κατά την αντίθετη κατεύθυνση από τα συνηθισμένα υλικά. Δεν μπορούσαν όμως να πραγματοποιηθούν πειραματικά ως το 2000. Αν και μερικοί φυσικοί σχολίαζαν εκείνα τα χρόνια ότι μόνον η φασική ταχύτητα του φωτός κάμπτεται αρνητικά, και όχι η ομαδική ταχύτητα, πρόσφατα πειράματα και εξομοιώσεις με υπολογιστές έχουν απορρίψει αυτή την άποψη και άλλες αντιρρήσεις. Παρόλα αυτά, οι ερευνητές έχουν παρατηρήσει την αρνητική διάθλαση μόνο σε σύνθετα "μέτα-υλικά" μέχρι σήμερα. 

Τώρα ο Yong Zhang και οι συνεργάτες του έδειξαν την ύπαρξη ολικής αρνητικής διάθλασης (χωρίς δηλαδή καθόλου ανάκλαση), σε ένα κράμα που περιέχει ύττριο-βανάδιο και οξυγόνο. Αυτό το συνηθισμένο ηλεκτροελαστικό υλικό περιέχει δύο ομοαξονικούς κρυστάλλους των οποίων οι οπτικοί άξονες  είναι προσανατολισμένοι συμμετρικά ως προς την διαχωριστική επιφάνεια των κρυστάλλων. Οι ερευνητές βρήκαν ότι η διαχωριστική επιφάνεια μπορούσε να διαθλά φως οποιασδήποτε συχνότητας καθώς και κύματα ηλεκτρονίων. Πρόκειται για μια βελτίωση επί των προηγουμένων υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης, που δρούσαν μόνο για μικροκύματα. Μάλιστα στο συγκεκριμένο υλικό παρατηρήθηκε ότι ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης, η διαχωριστική επιφάνεια μπορεί να παρουσιάζει και θετική δηλαδή τη συνηθισμένη διάθλαση. 

"Είναι η πρώτη φορά που ολική διάθλαση, με μηδενική δηλαδή ανάκλαση, και αμφοτερική διάθλαση - θετική και αρνητική διάθλαση - έχουν παρατηρηθεί στο ίδιο υλικό" λέει ο Zhang. " Η ανάκλαση νομίζεται μερικές φορές ως η ποινή που πρέπει να πληρώσουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα όταν διαθλώνται. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι κάτι τέτοιο δεν είναι αναγκαίο." 

Επιδεικνύοντας αρνητική διάθλαση σ' ένα τέτοιο απλό υλικό, οι ερευνητές πιστεύουν ότι τώρα θα είναι ευκολότερο να μελετηθούν νέα οπτικά φαινόμενα - όπως το αντίστροφο του φαινομένου Doppler και της ακτινοβολίας της ακτινοβολίας Cerenkov. Λένε επίσης ότι ο κρύσταλλος αυτός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κατευθύνει δέσμες ηλεκτρονίων σε διατάξεις νανοηλεκτρονικής, και να διαβιβάσει δέσμες λέιζερ υψηλής ισχύος σε φακούς απαλλαγμένους από φαινόμενα ανάκλασης.  

Αναφορά: (Y Zhang και άλλοι 2003 Phys. Rev. Lett. 91 157404).