Зміна траєкторії електрона в середовищі з негативним коефіцієнтом заломлення
Cory Dean, Columbia University
Коли хвилі (наприклад, світла) перетинають кордон двох середовищ, відбувається явище заломлення. Воно пов'язане з тим, що швидкість поширення хвиль в різних середовищах відрізняється - це змінює напрямок променя світла. Така зміна швидкостей описується за допомогою показників заломлення - співвідношень між швидкістю світла в середовищі і вакуумі. Кут, під яким переломлюється промінь світла, визначається з відношення показників заломлення.
Близько півстоліття тому радянський фізик Віктор Веселаго описав оптичні властивості середовища, у якій показник заломлення був би негативним. Ця робота була суто теоретичною і передбачала незвичайні властивості у таких об'єктів. Наприклад, плоска пластинка з такого матеріалу могла сфокусувати світло, випущений точковим джерелом. Пізніше виявилося, що створити матеріали з негативним коефіцієнтом заломлення складно, але можливо.
Однак хвильової природою володіють не тільки фотони - кванти світла. Точно так же, завдяки корпускулярно-хвильовому дуалізму, можуть вести себе електрони. Таку їх природу можна побачити, наприклад, в двовимірному електронному газі - ситуації, коли електрони можуть вільно переміщатися всередині площині. При цьому частинки рухаються по прямолінійних траєкторіях, не розсіювалися - такий рух називається балістичним.
Якщо електрон перетинає кордон двох матеріалів з різними типами провідності, характер балістичного руху змінюється - виникає переломлення. Прикладом таких меж можуть бути p-n переходи в напівпровідниках, що використовуються в сонячних батареях, транзисторах і інших пристроях. Фізики передбачили, що на таких кордонах теж має спостерігатися «негативне» переломлення, до того ж створювати такі переходи набагато простіше, ніж оптичні матеріали з негативним коефіцієнтом заломлення. Але через існування енергетичної щілини (забороненої зони) в традиційних напівпровідникових матеріалах електрон розсіюється на кордоні - його переломлення спостерігати не вдається.
Закон заломлення для різних типів переходів. Синім виділено перехід з негативним коефіцієнтом заломлення. Праворуч - кути падіння електронів на кордон
Моделювання фокусування електронів в електронній лінзі Веселаго
Оптичні середовища з негативним показником заломлення цікаві не тільки самим фактом фокусування світла, але і роздільною здатністю одержуваних лінз. Для класичних оптичних приладів дозвіл обмежено довжиною хвилі світла - через це оптичні мікроскопи не дозволяють спостерігати деталі об'єктів розміром менше 100 нанометрів. Лінзи Веселаго дозволяють обійти цю межу. Також для цих цілей використовують пристрої з метаматеріалів, здатні перетворювати еванесцентні хвилі світла (експоненціально затухаючі з видаленням від хвилеводу) в поширюються. У минулому році фізики з Університету Буффало створили веерообразную гіперлінзу, що діє за таким принципом, вирішення якої перевершило дифракційну межу.
