Учёные Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета вместе с коллегами из Тайваня впервые в мире экспериментально реализовали так называемые связанные состояния в континууме в одномерных слоистых структурах, возникающие из-за точной деструктивной интерференции света с различными поляризациями. Исследование открывает путь к созданию высокодобротных управляемых устройств фотоники и спинтроники. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications Physics. 

Огромное количество наблюдаемых нами физических явлений связано с волнами: акустическими, электромагнитными, квантово-механическими электронными волнами вероятности и другими. Несмотря на принципиальные различия, в поведении разных волн можно найти общие закономерности. Одно из таких интригующих явлений — связанное состояние в континууме — было предсказано еще в 1929 году физиками Нейманом и Вигнером для электронных волн в квантовой механике. Это явление связано с деструктивной интерференцией или способностью проходящих и отраженных волн гасить друг друга.

Чтобы лучше понять, что такое деструктивная интерференция, можно представить две волны на поверхности воды, проходящие друг через друга. Если в одной и той же точке совпадут гребень первой волны и ложбина второй, то водная поверхность будет выглядеть невозмущенной. В случае квантовой частицы, деструктивная интерференция проходящих и отраженных волн запирает её в точке пространства, хотя энергии частицы достаточно, чтобы уйти из зоны притяжения.

В силу сложности математического описания, связанные состояния в континууме долго рассматривались как экзотика, привлекавшая внимание лишь теоретиков. В 1985 году немецкие теоретики Фридрих и Винтген предложили простую модель открытой квантовой системы, описывающую запирание квантовой частицы за счет деструктивной интерференции двух резонансов. Эта модель послужила основой для работы в 2008 году красноярских физиков Булгакова и Садреева о локализации света в двумерном фотонном кристалле, которая спустя три года получила экспериментальное подтверждение. Эти работы дали начало потоку статей о связанном состоянии в континууме для двумерных и трехмерных фотонных кристаллов. В то же время считалось, что в одномерных слоистых структурах такое явление невозможно.

Коллектив ученых из Красноярск и Тайваня опроверг это представление. Исследователи Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета показали теоретическую возможность существования связанного состояния в континууме в одномерных слоистых структурах. Для этого физики предложили новую модель, которая состоит всего из трех слоев. При прохождении электронной волны через центральный слой, в котором магнитное поле повернуто относительно двух крайних слоёв, она расщепляется на две. При выходе в третий слой эти волны накладываются и гасят друг друга, таким образом, электрон запирается и остаётся в трехслойной структуре.

Экспериментальная проверка теоретических построений оказалась не простым делом. Для работы с электронами необходимо создавать полупроводниковые структуры высокого качества, прикладывать магнитное поле на очень малых масштабах и охлаждать электроны в сверхнизких температурах. Так как связанное состояние в континууме общеволновое явление, учёные решили создать аналогичную систему для световых волн. Ученые из Тайваня в рамках совместного международного проекта на основе теоретических расчетов и модели красноярских физиков изготовили трехслойную фотонную структуру и провели необходимые измерения.

Оптический аналог крайних областей с одинаково направленным магнитным полем – одномерные фотонные кристаллы. Аналог центрального слоя с повернутым магнитным полем – жидкий кристалл с повернутой оптической осью. Жидкий кристалл является анизотропным веществом, т.е. имеет разные оптические свойства в разных направлениях. Аналогично задаче для электрона, при наклонном падении света из фотонного кристалла на жидкий кристалл, световая волна расщепляется на две, деструктивно интерферирующие при выходе во второй фотонный кристалл. Таким образом, свет запирается в дефектном слое, хотя его частота вполне достаточна, чтобы покинуть кристалл.

«Мы впервые реализовали связанные состояния в континууме в одномерных слоистых средах для оптических волн. Нам удалось экспериментально показать, что можно управлять добротностью такой системы. Добротность - это характеристика колебательной системы, которая показывает, как быстро система теряет запасенную энергию. Световая энергия не может выйти из связанного состояния в континууме, поэтому его добротность ограничена только неустранимыми потерями в самих материалах. Механически поворачивая оптическую ось жидкого кристалла, мы увеличивали или уменьшали добротность, приближаясь или отдаляясь от условий реализации связанного состояния в континууме. Жидкий кристалл очень чувствителен к внешним воздействиям, поэтому дальнейшее направление исследований – это демонстрация управления добротностью с помощью температуры или внешнего электрического поля. Предложенные в работе модели открывают путь к созданию управляемых устройств спинтроники и фотоники», – рассказал один из авторов работы, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН Павел Панкин.

Исследование поддержано Российским фондом фундаментальных исследований (гранты№19-52-52006и 19-02-00055).


Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН

Похожие новости

  • 15/06/2018

    Китай, Россия и Беларусь будут сотрудничать в сфере материаловедения и аэрокосмической техники

    ​Китай, Россия и Беларусь договорились об углублении сотрудничества в сфере материаловедения и авиатехники. Соответствующие документы были подписаны в городе Наньчан, административном центре провинции Цзянси на востоке Китая.
    961
  • 30/11/2017

    Синтез химиков и физиков

    За одной написанной химической формулой может скрываться сразу несколько различных веществ и структур. Так, оксид железа имеет ряд фаз, и только одна из них позволяет получать магнитные наночастицы для производства, например, более продуктивных жестких дисков.
    1277
  • 06/08/2020

    Из самой маленькой в мире светящейся молекулы сделали тест на клещевой энцефалит

    ​​Светящийся белок, выделенный из морского рачка Metridia longa, самый маленький из открытых биолюминесцентных ферментов, был впервые использован учеными в тестах на клещевой энцефалит. Одного миллиграмма такого белка может хватить для ста тысяч точных анализов по определению наличия вируса клещевого энцефалита.
    600
  • 20/12/2019

    Когда наука несет свет: ученые предложили производить светодиоды без редкоземельных металлов

     Международная группа учёных синтезировала и изучила соединение, которое поможет значительно удешевить производство светодиодов для получения белого света, имитирующего солнечный. Такие диоды широко применяются в освещении жилых и производственных помещений, для наружной рекламы и выращивания растений предприятиями агропромышленного комплекса.
    841
  • 29/07/2020

    Форму и свойства наночастиц можно изменять за счет благородных металлов

    ​Международный коллектив ученых создал гибридные наноструктуры из магнитных наночастиц и серебра. Меняя концентрацию благородного металла, можно получать конструкции различных форм: от эллипсов до четырех-, шести- и восьмиугольников с закругленными краями и тонкой углеродной оболочкой.
    393
  • 09/09/2020

    Красноярские физики: металлорганический каркас одновременно может находиться в открытом и закрытом состоянии

    ​Коллектив ученых из России и Германии открыл металлоорганический каркасный пористый полимер, который достаточно долго находится в промежуточном состоянии, когда одна часть пор открыта, а другая — закрыта.
    460
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    1181
  • 24/09/2020

    Сибирские ученые создали полиэтиленовый «бронежилет» для радиолокационного оборудования

    Сибирские ученые модернизировали полиэтилен при помощи ультразвука и углеродных нанотрубок. В отличие от изначального материала, полученный композит обладает высокой диэлектрической проницаемостью и большей износостойкостью.
    212
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    1657
  • 23/09/2019

    Учёные изучили неожиданные свойства разупорядоченных нанорешёток

    Учёные Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск), Института физики им.
    709