Уже майже півтора століття тому людству стало ясно, що світло - електромагнітна хвиля. Першим про це здогадався Максвелл: коли він отримав хвилеподібний рішення своїх знаменитих рівнянь і обчислив швидкість цих хвиль, вийшло значення, дуже близьке до виміряної на той момент швидкості світла. Шотландець негайно припустив, що світло і є електромагнітна хвиля, а частота її коливань визначає властивості, в першу чергу колір світла (до того моменту були відомі лише два види світлових променів - видимі та інфрачервоні).
У будь-якому підручнику фізики написано, що електромагнітна хвиля, будь то радіохвилі, світло або жорстке рентгенівське випромінювання, являє собою пару електричного і магнітного полів, які безперервно перетворюються один в одного і тим самим підтримують поширення хвилі. Електричний і магнітний вектори спрямовані перпендикулярно один одному і напрямку поширення хвилі і безперервно осцилюють, підтримуючи один одного.
Електрика помітніше магнетизму
Може здатися неймовірним, але на ділі таке уявлення про світло експериментальної перевірки досі не піддавалося. Звичайно, в кінці XIX століття, незабаром після смерті Максвелла, німець Генріх Герц зміг отримати подібну хвилю набагато меншою частоти (висловлюючись сучасною мовою, це були радіохвилі УКХ-діапазону) і тим самим довів існування передбачених Максвеллом хвиль.
Проте, що стосується безпосередньо світла, то наявність в цих хвилях магнітної складової до сих пір експериментально не було показано. Для цього є проста причина: електрична складова хвилі хоч і несе таку ж енергію, як магнітна, набагато охочіше передає її заряджених частинок. А саме на впливі на заряджені частинки в кінцевому рахунку засновані всі детектори світла - хоч ультрамодна ПЗС-матриця, хоч людське око.
Генріх Герц в мініатюрі
Устаткування і методика, якими користувалися голландці, дивним чином схожі на ті, з чиєю допомогою Герц створив перші рукотворні електромагнітні хвилі. Щоб довести хвильову природу генеруються електричним розрядом сигналів, він створив так звану стоячу хвилю, «замкнувши» її між двох цинкових дзеркал. А детектувала електромагнітне поле Герц за допомогою металевого кільця з прорізом, в якому хвиля розганяла ток; якщо він був досить сильним, в прорізи проскакувала іскра, яку і спостерігав німецький фізик.
Буррезі також використовував стоячу хвилю і кільце з прорізом, тільки мікроскопічних розмірів, в тисячі разів тонші людської волосини. У ролі кільця виступало металеве покриття на кінчику зонда скануючого мікроскопа, а проріз в ньому, ширина якої всього 40 нанометрів, довелося витравляти сфокусованим потоком іонів. Вчені опустили зонд в 20 нм від хвилеводу, де поширювався лазерний промінь з довжиною хвилі 1550 нм; це ближній інфрачервоний діапазон, і для роботи з таким світлом використовуються технології оптики, а не радіофізики.
Зрозуміло, в тому, що світло - електромагнітна хвиля, ніхто з фізиків і так не сумнівався. Однак детектированием магнітного поля світлової хвилі вчені продемонстрували здатність вимірювати нікчемні поля, осцилюючі з гігантськими частотами, характерними для оптичного діапазону.
Такий контроль властивостей електромагнітного поля просто необхідний, якщо ми всерйоз налаштовані створювати «шапки-невидимки», сверхразрешающіе лінзи та інші чудеса, які нам обіцяє створення метаматеріалів, які працюють в оптичному діапазоні. Поки ж обіцянки теорії метаматеріалів, в тому числі й знамениту шапку-невидимку, яка повністю приховала циліндричний об'єкт, змусивши електромагнітні хвилі обтікати його, вдалося втілити в життя лише в радіодіапазоні і мікрохвилях.
Для переходу в оптичний діапазон принципових обмежень немає, проте до цих пір вчені не могли контролювати електричні і магнітні властивості з точністю, необхідної для оптичних метаматеріалів. Створення таких матеріалів - це нанотехнології вищого розряду. І обладнання, і методика, створені Буррезі і його колегами - рівно те, що потрібно для таких вимірювань.
Методика вимірювань
Щоб виміряти магнітне поле світлової хвилі, вчені порушували вторинну світлову хвилю коливаннями магнітного вектора стоячій хвилі в околиці хвилеводу і вимірювали її фазу інтерферометричної способом.
Незважаючи на те що лазерний промінь рухався по волноводу, зовні від нього також поширювалося електромагнітне поле тієї ж частоти. Такі хвилі називають неоднорідними, і зафіксувати їх вкрай складно, тому що амплітуда неоднорідною хвилі дуже швидко падає з віддаленням від кордону хвилеводу. Саме це електромагнітне поле і створювало стоячу хвилю всередині зонда мікроскопа (в якості «дзеркал» замість цинкових листів Герца працювали внутрішня поверхня зонда і кордон хвилеводу).
Стояча електромагнітна хвиля дещо відрізняється від хвилі, що біжить, це пов'язано з відмінностями в граничних умовах і в кінцевому рахунку взаємодією електричного і магнітного полів з провідниками ( «дзеркалами»). У стоячій хвилі піки коливань електричного і магнітного полів відрізняються - там, де у магнітного поля пучность, у електричного вузол, і навпаки (у біжучої хвилі максимуми і мінімуми електричного і магнітного полів просторово збігаються). Саме це і дозволило переміщаючи зонд вимірювати то магнітне, то електричне поле вихідної хвилі.
Для вимірювання поля вчені скористалися своїм «кільцем з прорізом». Що магнітне, що електричне поля змушують заряди в кільці переміщатися, але завдяки прорізи струмовий контур залишається незамкнутим, що призводить до перерозподілу заряду: вільні електрони збираються то з одного боку кільця, то з іншого, причому туди-сюди заряди бігають з частотою зовнішнього поля, тобто світлової хвилі. Таке переміщення в результаті породжує ще одну хвилю - тієї ж частоти, але необов'язково тієї ж фази: фаза залежить від того, де розташований зонд.
Ця хвиля далі змішувалася з опорною хвилею, перш виділеної з того ж лазерного променя, що йде в хвилевід, за допомогою напівпрозорого дзеркала. Добавка, яку дає хвиля від зонда, впливає на інтенсивність світла завдяки інтерференції хвиль однакової частоти. Переміщення зонда, таким чином, робило сигнал то слабше, то сильніше, і фаза цих коливань дозволяла зрозуміти, яке поле вимірюється.
Описана схема є спрощеною і не враховує поляризацію хвиль. Повний опис можна знайти у зазначеній в тексті статті в Science і методичному додатку до неї.
Р а д с т ь є особлива мудрість!