​Исследовательская группа из Университета ИТМО и Австралийского национального университета обнаружила, что разные плоские периодические фотонные структуры, или метаповерхности, одинаково реагируют на нарушение симметрии своих ячеек, или метаатомов. Асимметрия метаатомов приводит к появлению высокодобротных резонансов в спектрах пропускания метаповерхности.

Такие резонансы способны во множество раз усиливать внешний сигнал. Это означает, что, меняя асимметрию, можно контролировать добротность резонансов и эффективно управлять оптическим откликом метаповерхности, что крайне важно для практического использования. Результаты опубликованы в Physical Review Letters (работа поддержана грантом РНФ - прим. ред. сайта rscf.ru).

Добротность фотонных структур является одним из наиболее важных параметров, определяющих эффективность взаимодействия света с веществом. Этот параметр характеризует, насколько эффективно структура может удерживать и накапливать свет. Обычно с уменьшением геометрических размеров образца, в частности толщины, добротность сильно снижается, и такие структуры уже не подходят для многих практических применений.

В своей новой работе команда физиков из Университета ИТМО и Австралийского национального университета под руководством Юрия Кившаря проанализировала механизм появления высокодобротных резонансов и выяснила, что это никак не связано с толщиной структуры. На самом деле возникновение резонансов полностью определяется симметрией метаатома — элементарной ячейки метаповерхности. Таким образом, на основе метаповерхностей с нарушенной симметрией ячеек можно создавать тонкие (с толщиной меньше длины волны света) и в то же время высокоэффективные сенсоры, лазеры и нелинейные источники излучения.

Ученые показали, что природа высокодобротных резонансов в метаповерхностях с нарушенной симметрией элементарной ячейки определяется связанными состояниями континуума. Это безызлучательные состояния, которые возникают, когда несколько резонансов системы накладываются друг на друга и взаимно подавляются за счет деструктивной интерференции.

«Мы изучаем связанные состояния в континууме в течение двух лет в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом. В какой-то момент мы поняли, что природа высокодобротных резонансов в метаповерхностях кроется в локализованных состояниях континуума. Оказалось, что вводя асимметрию, мы контролируемо разрушаем связанные состояния континуума, превращая их в высокодобротные резонансы. Мы тщательно и кропотливо проанализировали около десятка систем с нарушенной симметрией, описанных в литературе, и в итоге показали, что в основе описанных ранее эффектов лежат связанные состояния в континууме», — рассказывает Андрей Богданов, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

«Главным результатом нашей работы является обобщение результатов большого количества работ из разных областей фотоники и радиофизики, которые объединяет только структура, то есть метаповерхность с асимметрией структурной ячейки, и характер наблюдаемого явления — острые и узкие резонансы в спектральном отклике. В предыдущих работах это явление объясняли с помощью введения новых терминов. Мы же показываем теоретически и численно, что все физические явления можно просто описать универсальным интерференционным явлением — связанными состояниями континуума, известными в квантовой физике еще с начала 20 века», — отмечает Кирилл Кошелев, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

По словам ученых, глубокое понимание оптики асимметричных метаповерхностей приведет к существенному упрощению создания материалов с заданным оптическим откликом. В дальнейших работах исследователи планируют использовать полученные результаты для анализа нелинейных оптических эффектов в похожих метаповерхностях.

Источники

Физики нашли способ точной настройки резонаторов для нелинейной оптики
Российский научный фонд (рнф.рф), 15/11/2018

Похожие новости

  • 14/05/2018

    Ученые знают, как заставить проводник из графена лучше работать

    ​Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе.
    301
  • 20/07/2018

    Ученые исследуют распространение тепла в сверхчистых кристаллах

    Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали математическую модель процессов, происходящих при распространении тепла в сверхчистых кристаллах. Это откроет перспективы создания новых материалов для использования в охлаждающих контурах различного оборудования.
    300
  • 25/04/2018

    Наночастицы помогут разглядеть белки при экстремально высоких температурах

    ​Российские ученые создали многофункциональное наноустройство из диэлектрических наночастиц на металлической подложке. С его помощью можно определять температуру и состояние окружающих молекул.
    341
  • 31/07/2018

    Пирамида Хеопса может концентрировать радиоволны

    ​Пирамида Хеопса может концентрировать электромагнитную энергию во внутренних камерах и фокусировать ее в пространство под своим основанием. К такому выводу пришли ученые, воздействовавшие на пирамиду радиоволнами, чтобы исследовать ее резонансный электромагнитный отклик.
    532
  • 20/08/2018

    Учеными созданы железные спирали тоньше человеческого волоса

    ​Исследователи СПбГУ смогли синтезировать микроспирали соединений железа диаметром около 12 микрон - почти в десять раз тоньше человеческого волоса. Их можно будет использовать, например, для создания сенсоров с высокой чувствительностью, а также в качестве миниатюрных электромагнитов или индукторов.
    249
  • 06/11/2018

    Российские физики разработали новую микроволновую антенну

    ​Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза.
    169
  • 23/07/2018

    Российские физики создали суперлюминесцентный световод для космических аппаратов

    Оптоволокно с добавкой висмута может стать мощным суперлюминесцентным источником излучения для инструментов и приборов, работающих в космосе.   Исследователи из Научного центра волоконной оптики (НЦВО) РАН и Института химии высокочистых веществ им.
    259
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    216
  • 21/08/2018

    Создан высокочувствительный фотодетектор толщиной в атом

    Ученые создали фотодетекторы на основе графена, которые потребляют мало энергии и не нуждаются в охлаждении. Они могут использоваться при создании портативных матриц высокого разрешения, составляющих основу современных фото- и видеокамер.
    266
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    1652