Ученые Университета ИТМО получили новые данные в исследованиях нелинейных метаматериалов

Ученые Университета ИТМО получили новые данные в исследованиях нелинейных метаматериалов

Аспирант, сотрудник международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Максим Горлач провел три месяца в Сиднее и Канберре, где в коллаборации с коллегами из Австралийского национального университета и Технологического университета Сиднея исследовал свойства нелинейных метаматериалов с учетом пространственной дисперсии. Ученые первыми в мире развили последовательный подход к описанию эффектов пространственной дисперсии в нелинейных метаматериалах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B. Сейчас ученые готовятся к экспериментальному подтверждению полученных результатов, которые позволят повысить эффективность нелинейного преобразования сигналов, что является еще одним шагом на пути к созданию систем полностью оптической обработки информации.

Зачем исследовать нелинейные метаматериалы

Исследования свойств метаматериалов, искусственных структур с уникальными электромагнитными свойствами, позволяют ученым со всего мира делать новые значимые открытия в области управления оптическими сигналами. Передача информации с помощью фотонов, интеграция электроники и оптических устройств обеспечат уменьшение размеров вычислительных машин и увеличение скорости их работы. Для этого необходимо выполнять операции со световыми сигналами, такие как, например, сложение и вычитание частот сигналов, что возможно только в нелинейных структурах. Оказывается, что нелинейные свойства сильнее проявляются в метаматериалах, чем в природных средах. При этом возникает фундаментальный вопрос, как описывать такие метаматериалы и оптимизировать их нелинейный отклик. Для этого проводятся различные исследования, в том числе с учетом специфики электромагнитного отклика метаматериалов. Так, аспирант Университета ИТМО Максим Горлач совместно с коллегами провел исследования нелинейных метаматериалов с учетом пространственной дисперсии.

Университет ИТМО. Максим Горлач
Университет ИТМО. Максим Горлач

Что будет со светом в нелинейном материале

Фотон — это одновременно и частница, и световая волна. В линейных материалах фотоны не взаимодействуют друг с другом и не могут менять свою частоту. Однако если свет попадает в нелинейную структуру (например, в нелинейный оптический кристалл), то происходит преобразование света. Так, при генерации второй гармоники свет инфракрасного диапазона можно преобразовать в видимое излучение. Простой пример такого преобразования — это зелёная лазерная указка. В такой указке излучение от инфракрасного лазера пропускается через нелинейный кристалл, в результате чего генерируется свет с удвоенной частотой, который человек воспринимает как зеленый свет. Такие преобразования можно использовать в оптической обработке информации.

Как увеличить эффективность использования нелинейных материалов

«Однако нелинейность в природных материалах достаточно слабо проявляется, из-за чего использовать эти материалы для высокоэффективного преобразования частоты оптических сигналов проблематично. Получить большие значения нелинейности можно в метаматериалах. Выраженная нелинейность в них будет возникать из-за наличия резонансных элементов», — пояснил Максим Горлач.

Кроме того, с помощью нелинейных метаматериалов можно создавать структуры с управляемыми свойствами. Например, существует возможность произвести такой перестраиваемый метаматериал, в котором световой пучок малой интенсивности будет преломляться обычным способом. При увеличении же интенсивности светового пучка будет возникать явление отрицательного преломления, то есть свет будет преломляться в другую сторону.

Университет ИТМО. Технологический университет Сиднея
Университет ИТМО. Технологический университет Сиднея

Изучение нелинейных метаматериалов, как и метаматериалов вообще, производится в различных научных лабораториях мира. В 2014 году в журнале Reviews of Modern Physics вышел обзор, в котором анализировалось развитие физики нелинейных метаматериалов. Среди актуальных задач, требующих решения, на первое место была поставлена проблема изучения физических свойств метаматериалов, сочетающих в себе сильную нелинейность вместе с пространственной дисперсией.

Что такое пространственная дисперсия

Большинству материалов свойственна частотная дисперсия, то есть зависимость их диэлектрической проницаемости и показателя преломления от частоты. Так, именно из-за различия показателя преломления для разных длин волн призма может разлагать пучок белого света в спектр. Однако наряду с частотной дисперсией существует еще и пространственная дисперсия. Последняя означает зависимость поляризации физически малого объема среды не только от полей, которые существуют в этом объеме, но и от электромагнитных полей, существующих в соседних областях пространства. Известно, что пространственная дисперсия может приводить к ряду необычных физических явлений, а в метаматериалах, в отличие от многих природных структур, пространственная дисперсия может быть сильно выраженной. Для того чтобы понять, какие эффекты даст пространственная дисперсия в нелинейных метаматериалах, и была проведена научная работа в сотрудничестве с австралийскими университетами.

Университет ИТМО. Юрий Кившарь
Университет ИТМО. Юрий Кившарь

Какие эффекты возникают в нелинейных метаматериалах с учетом пространственной дисперсии

«Почему это интересно: пространственная дисперсия может приводить к ситуации, когда при падении на материал пучка света при определенных условиях мы сможем получать три преломленных луча. Каждая из преломленных волн будет наводить нелинейную поляризацию в среде, и в результате возникнет три гармоники, все с одинаковой частотой, но с разными направлениями распространения. По итогам проведенной научной работы мы выяснили, что вблизи резонанса отдельных элементов в метаматериале, то есть в ситуации, когда нелинейные свойства наиболее отчетливо выражены, пространственная дисперсия проявляется очень сильно. Также мы доказали, что нелинейная восприимчивость оказывается зависимой от направления волнового вектора волны относительно кристаллографических осей образца. Для развития мировой науки о метаматериалах это абсолютно новые данные. Сейчас мы готовимся экспериментально проверить наши теоретические предсказания», — прокомментировал аспирант Университета ИТМО.

Статья: «Nonlocal homogenization for nonlinear metamaterials», Maxim A. Gorlach et al. Phys. Rev. B, April 19, 2016.

Редакция новостного портала
Архив по годам: