Физикам впервые удалось надолго запереть свет в нанорезонаторе

Международная команда ученых осуществила эксперимент, в рамках которого им удалось поймать электромагнитную волну в резонатор фантастически крошечного размера. Международной команде ученых Нового физтеха Университета ИТМО, Центра нелинейной физики Австралийского Национального Университета и Университета Корё удалось провести эксперимент, во время которого они поймали электромагнитную волну в резонатор арсенида галлия размером несколько сотен нанометров и удерживали ее рекордно продолжительное время. До этого свет удавалось так долго удерживать только в резонаторах значительно больших размеров. Кроме этого, учеными было экспериментально показано, что на основе разработанной системы можно реализовать эффективный нанопреобразователь частоты света. Результаты исследований вызвали широкий интерес в международном сообществе и были опубликованы в журнале Science — одном из наиболее престижных научных журналов. Ученые говорят о совершенно новых возможностях для субволновой оптики и нанофотоники — в том числе для создания компактных сенсоров, приборов ночного видения и оптических средств передачи информации. Проблема управления свойствами электромагнитных волн на нанометровых масштабах является одной из важнейших в современной физике. Используя световые сигналы, мы можем передавать информацию на огромные расстояния, записывать и считывать данные и совершать другие операции, необходимые для обработки информации. Проблема в том, что для этого свет нужно локализовать в малой области пространства и удерживать его там длительное время, а делать это физики научились пока лишь для объектов, размер которых существенно превышает длину световой волны. Это ограничивает использование оптических сигналов в оптоэлектронике.

Еще два года назад интернациональная научная команда из сотрудников Нового Физтеха, Австралийского Национального Университета и Физико-технического Института им. А.Ф. Иоффе теоретически предсказала новый механизм, позволяющий захватывать и удерживать свет в очень маленьких резонаторах, размеры которых существенно меньше длины волны света и исчисляются сотнями нанометров. Однако до недавнего времени реально этого никто сделать не смог.

Для того, чтобы подтвердить гипотезу двухлетней давности, была собрана международная команда ученых, включающая Университет ИТМО, Австралийский Национальный Университет и Университет Корё. Сначала была разработана концепция: в качестве материала были выбран арсенид галлий — полупроводник, обладающий большим показателем преломления и сильным нелинейным откликом в ближнем инфракрасном диапазоне, также была подобрана наиболее оптимальная форма резонатора, которая позволяет эффективно удерживать электромагнитное излучение.

Для эффективного захвата света необходимо заставить луч отражаться от внутренних поверхностей структуры как можно большее число раз и при этом не вылетать из резонатора. К идеальной для этой задачи формой является цилиндр, обладающий минимальным числом граней. Остается вопрос, каково должно быть соотношение диаметра цилиндра к его высоте, чтобы обеспечить наиболее эффективное удержание света.

«Из арсенида галлия были изготовлены цилиндры высотой около 700 нм с различными диаметрами, близкими к 900 нм. Их практически не увидеть невооруженным взглядом. Как показал эксперимент, эталонная частица захватила свет на время, превышающее в 200 раз период одного колебания световой волны. Обычно для частицы таких размеров этот показатель не превышает 5 — 10 периодов световых колебаний. А здесь 200!», — рассказывает первый автор научной публикации исследования Кирилл Кошелев.

Сами ученые разделили свою работу на две части: одна является экспериментальным подтверждением высказанной ранее теории, а вторая — примером применения таких резонаторов. В частности, на основе «ловушки» для света было показано устройство для изменения частоты волны, а стало быть, и цвета луча. После прохождения через такое устройство инфракрасный луч стал красным, то есть попал в видимый диапазон. Изменение частоты электромагнитных колебаний, важное для оптической обработки данных — не единственное применение разработки. Также в перспективе ее можно использовать для создания различных датчиков и даже специального напыления для стекол, которое позволит видеть в темноте в цветном изображении.

«Если резонатор может эффективно удерживать свет, то при размещении, например, молекулы рядом с таким резонатором эффективность взаимодействия света с ней возрастает на порядки, и присутствие даже одиночной молекулы может быть легко обнаружено в эксперименте. Этот принцип используется для создания очень чувствительных биологических сенсоров. За счет способности разработанных резонаторов эффективно изменять длину волны света их можно использовать для создания приборов ночного видения. Ведь даже в темноте в воздухе существуют электромагнитные волны инфракрасного диапазона, которые человеческий глаз не видит. Если изменить длину этих волн, то можно будет видеть в темноте. Для этого можно нанести наши цилиндры на очки или на лобовое стекло автомобиля. Они не будут видны глазу, но позволят видеть в темноте много лучше, чем мы видим своим зрением», — комментирует Кирилл Кошелев.

Помимо арсенида галлия для создания таких «ловушек» можно использовать и другие диэлектрики или полупроводники — к примеру кремний, один из самых распространенных материалов в современной микроэлектронике. А обнаруженную форму для удержания света, то есть соотношение диаметра цилиндра к его высоте, можно масштабировать и использовать для создания других по размеру ловушек.