Обложка апрельского номера Nature Photonics

Зачем ловить свет и как можно делать это эффективнее, объяснили в Nature ученые Университета ИТМО

В разделе News&Views апрельского номера журнала Nature Photonics опубликована статья ученых из Университета ИТМО Юрия Кившаря и Михаила Рыбина об исследовании коллег из Института науки и технологий Барселоны. В публикации объясняется, как испанским исследователям удалось использовать анизотропные свойства вещества для создания более простых и в то же время более эффективных оптических устройств на основе так называемых связанных состояний в сплошном спектре. В будущем это открытие может найти применение в системах оптического детектирования и других устройствах, рассказал заместитель заведующего кафедрой фотоники диэлектриков и полупроводников Университета ИТМО и старший научный сотрудник лаборатории спектроскопии твердого тела ФТИ им. А. Ф. Иоффе Михаил Рыбин.

В раздел News&Views обычно попадают только самые актуальные и важные темы журнала. Авторы статей в разделе разъясняют более простым языком суть тех или иных свежих публикаций в ведущих научных журналах, чтобы они были понятны ученым, которые не специализируются в области. Исследования связанных состояний в сплошном спектре являются быстро развивающейся и перспективной областью науки, результаты которой востребованы для создания более эффективных оптических устройств использующих меньшие мощности света.

Понятие «связанные состояния в сплошном спектре» изначально возникло в квантовой механике. Исходя из классической физики понятно, что электрон, связанный с ядром атома, может находиться в потенциальной «яме» сколь угодно долго. Это значит, что электрон не может «улететь», потому что у него нет необходимой для этого кинетической энергии. Если же электрон «пролетает» над потенциальной ямой, то у него имеется достаточно энергии, чтобы оторваться от ядра и «выйти из ямы». Уже на заре квантовой механики были найдены условия, при которых электрон имеет энергию, достаточную для выхода, но при этом он все равно остается в связанном состоянии с потенциальной ямой. Это эффект рассматривался долгое время как не более чем просто интересное решение квантово-механической задачи, которое невозможно наблюдать в экспериментах и применять на практике.

Естественные материалы ограничивали работу ученых в этой области: приходилось экспериментировать с тем, что уже было у природы, без возможности модификаций свойств материалов. Одно из решений этой проблемы заключается в рассмотрении фотонов вместо электронов. Длина световой волны составляет величину порядка 500 нанометров. Структуры с такими размерами можно изготавливать при помощи современных нанотехнологий, что обеспечило бурное развитие нового направления на стыке оптики и физики твердого тела – фотоники искусственных сред, которое изучает рукотворные материалы: фотонные кристаллы и метаматериалы.  Их параметры можно менять для получения необходимых эффектов. При этом многие концепции квантовой механики адаптируются к фотонике. Не обошли стороной и столетнюю концепцию связанных состояний в сплошных спектрах. Совсем недавно в 2013 году появилась работа, в которой сообщалось об экспериментальном наблюдении таких состояний: в специально спроектированной фотонно-кристаллической мембране свет может удерживаться на одной траектории очень длительное время, находясь почти в связанном состоянии.

В большинстве предложенных структур такие состояния возникают в результате интерференции. Она появляется, когда амплитуды двух волн складываются. Если две волны бегут в одной фазе, их амплитуда увеличится, если же в противофазе, амплитуды погасят друг друга и волна не будет распространяться. Это явление используется, например, в просветляющих покрытиях на объективах, очках: интерференция создает эффект усиленного отражения или пропускания света. Задача ученых, «усмиряющих» свет, – создать такую структуру, в которой две волны, уносящих свет, погасят друг друга фактически до нулевого значения.

Зачем это нужно? Свет, двигаясь в структуре по определенной траектории, может пройти ее десятки или сотни раз. За это время излучение выходит наружу структуры, то есть свет, как и электрон в квантовой механике, выходит из «ямы». Однако если возникает интерференция и волны света побегут в противофазе, то свет не сможет выйти наружу и останется внутри структуры на заданной траектории. В результате свет может двигаться по одной и той же траектории миллионы раз.

В своей работе для Nature Photonics испанские ученые решили получить связанное состояние света в сплошном спектре в анизотропной среде. Это такие среды и материалы, свойства которых неодинаковы по различным направлениям. Свет – это векторная волна, и если запустить его в анизотропной среде, то его свойства будут зависеть от направления, в котором он был запущен, а также ориентации плоскости, в которой электрическое поле совершает колебания (плоскость поляризации).

Исследователи создали из анизотропных материалов световод: волноводный слой на подложке. При этом ученые использовали эффект полного внутреннего отражения света, чтобы не допустить утекания световой волны во внешнюю среду, то есть в данном случае в воздух.

«Даже в самой простой структуре из природных материалов можно наблюдать возникновение связанных состояний в сплошных спектрах, если использовать векторную природу света. В таком модельном образце свет может свободно уходить из волноводного слоя в подложку. Однако при определенных ориентациях кристаллических осей относительно направления световой волны возникает деструктивная интерференция от двух состояний с разной поляризацией, которая подавляет отток световой волны в подложку, тем самым запирая свет в волноводном слое, реализуя связанное состояние в сплошном спектре. Испанская группа сделала важный шаг вперед, продемонстрировав возможность получения таких состояний исключительно за счет анизотропных материалов, которые смешивают поляризацию. Это еще одна степень свободы, которую мы будем задействовать для упрощения искусственных структур, позволяющих поймать свет», – прокомментировал Михаил Рыбин.

Использование обеих поляризаций света позволит улучшить устройства для детектирования, которые основаны на оптических откликах тех или иных веществ. Зачастую эти отклики очень сложно уловить, потому что вероятность взаимодействия отдельной молекулы со светом очень низкая. И для этого необходимо использовать мощные лазеры с большим количеством фотонов, чтобы хотя бы несколько фотонов провзаимодействовали с молекулой и можно было бы зарегистрировать отклик, в случае если искомая молекула действительно есть. А с помощью эффекта связанных состояний в сплошном спектре один-единственный фотон сможет проходить через заданную траекторию миллионы раз, повышая вероятность обнаружения детектируемой молекулы. Кроме того, таким образом отпадает необходимость увеличения энергетических затрат на работу мощного дорогостоящего лазера. Также недавно было показано, что «пойманные» фотоны можно использовать и для улучшения эффективности лазерной генерации.

В Университете ИТМО также ведется научная работа в области связанных состояний в сплошном спектре. Так, только что сотрудники кафедры нанофотоники и метаматериалов опубликовали работу по этой перспективной тематике.

Статья: Zarina F. Sadrieva, Ivan S Sinev, Kirill L. Koshelev, Anton Samusev, Ivan V. Iorsh, Osamu Takayama, Radu Malureanu, Andrey A. Bogdanov, and Andrei V. Lavrinenko, Transition from optical bound states in the continuum to leaky resonances: role of substrate and roughness, ACS Photonics, 2017.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба