Китайські фізики продемонстрували збудження водного аналога односпрямованого поверхневого плазмон-поляритону. У ролі діелектрика при цьому виступила вода в неглибокому басейні, а в ролі металу - вода поблизу метаматеріалу, що являє собою 3D-друковану пластикову стінку з борознями. Експеримент підтвердив, що при правильних параметрах водяні хвилі поширюються в близькі поверхні стінки тільки в одному напрямку. Дослідження опубліковано в.
Найпершим хвильовим процесом, з яким зіткнулася людина, стали коливання водної поверхні. З часом люди зрозуміли, що хвильовими властивостями може мати безліч фізичних явищ: звук, світло, деформації, а також тепло, частинки і гравітація. Як не дивно, найкраще людина підпорядкувала собі електромагнітні хвилі. Ми не тільки навчилися спотворювати їх хвильовий фронт, перетворюючи хвилю, що сходиться, на витратну і навпаки за допомогою лінз, але і вміємо керовано вторгатися в їх фазу за допомогою метаматеріалів і метаповерхностей. Останнє дозволило робити об'єкти невидимими, негативно ламати світло і порушувати закон обратимості світлових променів.
Прогрес у створенні незвичайних оптичних матеріалів підстьобнув аналогічні дослідження в інших хвильових розділах фізики. Так, ми вже розповідали, як фізики реалізували негативне заломлення для звуку та електронів. Аналогічний ефект був виявлений і для хвиль на поверхні води. У випадку з водою контроль за поширенням хвиль має важливе значення для потреб судноплавства та захисту навколишнього середовища, тому вчені активно шукають водні аналоги оптичних метаматеріалів.
У руслі цього пошуку Хуаньян Чень (Huanyang Chen) з колегами з Сяменьського університету виготовили структуру, на поверхні якої спостерігається водний аналог односпрямного поверхневого плазмон-поляритону. Поверхневі плазмон-поляритони являють собою гібридні збудження, що виникають на кордоні метал-діелектрик під впливом світла. Їх можна уявити як постійне перетворення електромагнітних хвиль у діелектриці (поляритонів) на зарядові хвилі в металі (плазмони) і навпаки. Особливістю плазмон-поляритонів стало те, що вони локалізовані в дуже вузькому поверхневому шарі, у багато разів меншим, ніж довжина хвилі. Цей факт робить їх корисним інструментом для мікроскопії з субволновою роздільною здатністю.
Щоб відтворити аналогічний ефект для води, фізикам потрібні були відповідні еквіваленти діелектрика і металу. Для початку вони звернули увагу на те, що рівняння дрібної води (тобто для води з малою глибиною) еквівалентні рівнянням для поперечної магнітної (TM) компоненти електромагнітного поля. При цьому напруженості магнітного поля можна поставити у відповідність тиск на поверхні води, а магнітної індукції - її вертикальне зміщення. Таким чином, в ролі діелектрика може виступити вода невеликої глибини.
Для металів характерний негативний показник переломлення. Мовою водних хвиль показник заломлення відповідає глибині. Виявилося, що ефект негативної глибини можна отримати, якщо змусити поверхневу хвилю дифрагувати на масиві борознок, нанесених на стіну і нагадують дифракційну решітку. Аналітичні та численні розрахунки показали, що такий ефект виникає тільки для певних геометричних співвідношень борознок і відстаней від джерела хвиль до стінки.
Нарешті, поверхневі плазмон-поляритони мають ще одну цікаву властивість. Вони стають суворо односпрямованими, якщо збуджує їх світло володіє круговою поляризацією. У цьому випадку напрямок руху плазмон-поляритону визначається напрямком обертання площини поляризації. У водному аналозі роль світла з круговою поляризацією відіграють хвилі, закручені по колу. Розрахунки показали, що в цьому випадку поверхнева хвиля поширюється тільки в одному з напрямків, сильно притиснувшись до кордону.
Фізики перевірили свої розрахунки за допомогою експериментів. Вони наливали воду в невеликий басейн, залишаючи глибину рівною 1,5 сантиметра. Одна зі стінок басейну була надрукована на 3D-принтері з PLA-пластику. Вона містила борозни з періодом 0,909 сантиметрів, інтервалом 0,455 сантиметрів і глибиною 0,773 сантиметра. Інші стінки басейну автори проклали м'якими губками, щоб придушити відображення.
Дослідники збуджували в басейні кругові хвилі з довжиною хвилі рівної п'яти сантиметрам за допомогою маленького гвинта. Вони переконалися, що, коли відстань від гвинта до стіни становить 0,2 довжини хвилі (1 сантиметр), поверхневі хвилі існують тільки з одного боку. Для наочності вони поклали на воду по парі легких кульок з кожного боку. Кульки, що підганяються водними плазмон-поляритонами, рухалися до стінки, в той час як протилежна пара майже не зміщувалася.
Хвилі води можуть служити еквівалентом не тільки для оптичних, але і для гравітаційних ефектів. Раніше ми писали про те, як фізики з їх допомогою вивчили взаємодію чорної діри із зовнішнім полем.