آينه‌هاي معمولي نور را در بازه‌ي وسيعي از فركانس‌ها بازتاب مي‌كند در حالي كه آينه‌اي با طراحي جديد قادر است يك تك فركانس را بازتابانده و به بقيه اجازه‌ي عبور بدهد. اين «شبه آينه»، كه چيدماني از قطعات فلزي شكل دار با اندازه‌هاي زير طول موج است كه درون يك محيط شفاف قرار گرفته‌اند، به علاوه مي‌تواند براي بازتاب نور در يك جهت خاص يا متمركز كردن مانند يك آينه‌ي محدب تنظيم شود. شبه آينه‌هاي تخت را مي‌توان جايگزين گيرنده‌هاي بشقابي شكل كرد يا از آن‌ها براي پوشش پنل‌هاي خورشيدي در ماهواره‌ها استفاده كرد تا به نور خورشيد اجازه عبور بدهد اما سيگنال‌هاي مخابراتي ماكروويو را بازتاب كند.

آينه‌ها اغلب تخت هستند يعني صفحاتي‌اند با پوشش فلزي كه همه‌ي امواج نوري رسيده را با زاويه‌اي كه برابر ولي در خلاف جهت زاويه‌ي فرودي است بازمي‌تابانند. اما پژوهشگران صفحات نازكِ پرداخته شده‌اي را توليد كرده‌اند كه وقتي روي يك آينه‌ي تختِ معمولي قرار بگيرد، عبور نور را مختل كرده و باعث مي‌شود كه در هر زاويه‌ي دلخواهي بازتاب شود[1].  اين سطوح پرداخته شده، اغلب از شبه‌مواد ساخته شده‌اند- مواد مهندسي شده‌اي با ساختار پيچيده و در اندازه‌هايي كوچكتر از طول موج نور.

همه‌ي اين شبه‌سطح‌ها روي زيرلايه‌اي فلزي كه نقش بازتابنده دارد قرار گرفته‌اند اما سرگئي ترتياكوف Sergei Tretyakov و همكارانش از دانشگاه آلتو در فنلاند پي برده‌اند كه يك شبه‌سطح خودش به تنهايي مي‌تواند نور را بازتاب كند. دور انداختن بازتابنده‌هاي قديمي موجب مي‌شود كه شبه‌آينه نسبت به همه فركانس‌ها به جز يك بازه‌ي فركانسي منتخب شفاف باشد. به گفته‌ي ويكتا اسدچي Vikta Asadchy از دانشگاه آلتو و دانشگاه ايالتي فرانسيك اسكورنيا گومل در بلاروس، اين بازتاب‌ها را مي‌توان تا حد زيادي كنترل كرد.

اين محققان شبه‌سطح را براي امواج مايكرو طراحي كرده‌اند اما مي‌گويند كه همين مفهوم را مي‌توان به آينه‌ي نور مرئي هم اعمال كرد. اين شبه‌آينه‌ي نازك از قطعات فلزي با ابعاد ميليمتري كه در محيطي شفاف نسبت به امواج مايكرو قرار داده‌ شده‌اند ساخته شده است. اين قطعات كه تركيبي از سيم‌هاي مسي صاف و حلقوي‌اند، ميان‌ماده‌هاي امگا Omega inclusion ناميده مي‌شوند زيرا بسياري از آن‌ها شبيه به حرف يوناني امگا (Ω) هستند. وقتي يك موج مايكرو با فركانس تشديد (كه از اندازه‌ي ميان‌ماده‌ي امگا تعيين مي‌شود) به شبه‌آينه مي‌خورد، جريان‌هايي را در سيم‌ها و حلقه‌ها به وجود مي‌آورد و آن‌ها نيز امواج مايكرويي را با همان فركانس بازتابش يا پراكنده مي‌كنند. شكل ميان‌ماده بر فاز موج مايكروي پراكنده شده- يعني زمان قله‌ي موج آن نسبت به نور ورودي- اثر مي‌گذارد و اثر خالصِ تركيبِ صحيح از اشكال، تقويت يك جهت خاص براي امواج پراكنده شده است.

V. Asadchy/Aalto Univ.

آينه‌ي چند منظوره. اين آينه‌ي شبه ماده‌اي، نور با فركانس تشديد را در زاويه‌اي كه با جايگذاري inclusion ‌هاي امگاي آنتن-مانند با طرح‌هاي مختلف تعيين مي‌شود، بازتاب مي‌كند. پرتوي آبي رنگ با زاويه‌ي قائمه به آينه مي‌خورد اما با زاويه‌ي 45 درجه برمي‌گردد. شبه‌آينه در مقابل پرتوي قرمز كه فركانس متفاوتي دارد شفاف است.    

شبه‌سطح طراحي شده توسط اين گروه شامل اشكال ميان‌مادهي مختلفي است كه در يك نقشه‌ي هندسي دو بعدي قرار گرفته‌اند. همه‌ي ميان‌ماده‌ها به فركانس يكساني پاسخ مي‌دهند و ساير فركانس‌ها بدون تغيير از درون آن‌ها مي‌گذرند. با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي، پژوهشگران نشان دادند كه مي‌توان چيدماني را طراحي كرد كه يك نور فرودي را در هر زاويه‌اي كه مايل باشيم بازتاب كند.

گروه براي اثبات طراحيشان، نوارهايي از شبه‌آينه حاوي يك تك رشته از ميان‌ماده‌ي امگا ساختند و آن را در معرض امواج مايكرو با فركانس تشديد 5 گيگا هرتز قرار دادند. در آزمايش اول، نواري با 6 ميان‌ماده‌ي امگاي مختلف در چيدمان خطي، امواج مايكروي فرودي با زاويه‌ي 90 درجه را در زاويه‌ي 45 درجه بازتاباند.  

در آزمايش دوم، محققان با استفاده از چيدماني از ميان‌ماده‌هاي امگا با تقارن شعاعي، آينه‌اي همگرا ساختند. آن‌ها نشان دادند كه امواج تختي كه به اين ساختار صاف بخورند، بازتابيده و در يك نقطه متمركز مي‌شوند انگار كه آينه انحنادار باشد. گروه تصور مي‌كند كه اين نوع از شبه‌آينه مي‌تواند با بشقاب‌هاي هذلولي شكل روي ماهواره‌ها كه ساختن و نصب آن‌ها هزينه‌ي زيادي مي‌برد جايگزين شود.

لايه‌اي از ميان‌ماده‌هاي امگا را مي‌توان روي يك پنل خورشيدي تخت قرار داد و سطح چند منظوره‌اي را ساخت كه سيگنا‌ل‌هاي مايكروويو را دريافت كند و در عين حال اجازه بدهد كه نور مرئي و مادون قرمز از درون سلول‌هاي خورشيدي بگذرد. در نجوم راديويي، چندين لايه‌ي بشقاب-مانند مي‌توانند فركانس‌هاي مختلف را به سمت گيرنده‌هاي جداگانه متمركز كنند. به اين ترتيب در اينجا، با يك تك ساختار تخت مي‌توان كار چند اندازه‌گيري را انجام داد.

فيليبرتو بيلوتتي Filiberto Bilotti از دانشگاه رم III مي‌گويد «من خيلي تحت تاثير اين مفهوم قرار گرفتم». كارهاي پيشين نشان داده اند كه شبه‌مواد نازك مي‌توانند نور عبوري را دستكاري كنند اما دستكاري نور بازتابي « حاكي از جهش مهمي است». آندريا آلوو از دانشگاه تگزاس در آستين مي‌گويد به كارگيري ميان‌ماده‌هايي با اندازه‌ي زير طول موج مرزهاي كنترل نور-موج را بزرگتر مي‌كند. گرچه به پيش بيني ‌او، يكي از معايب اين است كه ماهيت تشديدي شبه‌آينه‌ها ممكن است عملكرد آن‌ها را كاملاً نسبت به تغييرات فركانس تابش فرودي حساس كند.

اين تحقيق در Physical Review Leters به چاپ رسيده است.

مراجع

1.       N. Yu and F. Capasso, “Flat Optics with Designer Metasurfaces,” Nature Mater. 13, 139 (2014); A. Pors, M. G. Nielsen, R. L. Eriksen, and S. I. Bozhevolnyi, “Broadband Focusing Flat Mirrors Based on Plasmonic Gradient Metasurfaces,” Nano Lett. 13, 829 (2013).

منبع

Single-Frequency Mirror