Найден способ рассеять свет наночастицей почти вдвое сильнее предела
Физики МФТИ показали, что одна наночастица может рассеивать свет сильнее классического предела благодаря обмену энергией между резонансами. Эффект устойчив к потерям в материале.
Рассеяние света одной наночастицей может заметно превышать теоретический предел, который считался жестким. К такому выводу пришла группа физиков Московского физико-технического института (МФТИ). Авторы объясняют результат не хитростью с формой частицы, а новым физическим механизмом, рассказал Наука Mail Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ и эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники».
Когда свет попадает на маленькую частицу, часть его энергии расходится в стороны. На этом держится значительная часть нанофотоники: сенсоры, миниатюрные антенны, покрытия, управляющие светом на масштабе сотен нанометров.
Частица откликается на свет колебаниями разного типа: простейшие называют дипольными, более сложные — квадрупольными. Для каждого типа законы сохранения энергии дают свой максимум рассеяния, и в рамках одного типа колебаний его превысить считалось нельзя. Единственный известный обходной путь — суперрассеяние: несколько резонансов настраивают так, чтобы их вклады совпали по частоте и сложились. Метод требует точной подгонки сразу нескольких каналов и почти перестает работать при малейших потерях энергии в материале.
Новый подход опирается на особые оптические состояния, в которых свет заперт внутри частицы: он не возбуждается падающим излучением и не выходит наружу. Если слегка изменить форму частицы, такое состояние начинает «протекать» и превращается в резонанс с очень острым откликом. Как выяснили исследователи, при определенной настройке этот резонанс обменивается энергией с соседним резонансом другого типа. Канал, получающий энергию, рассеивает больше, чем позволяет его собственный предел, — получается своего рода «супердиполь».
Эффект проверили на кремниевом цилиндре высотой и диаметром в несколько сотен нанометров. При небольшом изменении высоты электрический диполь и магнитный квадруполь начинают взаимодействовать, и дипольное рассеяние вырастает почти вдвое относительно предела. Главное отличие от суперрассеяния — устойчивость: острота резонанса намеренно немного снижается в момент открытия канала «протечки», поэтому эффект не боится потерь. Даже с реальными потерями кремния в видимом диапазоне рассеяние остается в разы выше предела.
Для прямоугольной частицы с разными размерами по трем осям магнитный диполь удалось усилить почти втрое выше предела на один канал, а при сочетании с суперрассеянием превышение достигло пяти раз — по словам авторов, это еще не потолок. Эксперимент на керамических резонаторах миллиметровых размеров в микроволновом диапазоне подтвердил расчеты: совпали и значения рассеяния, и картина поля вокруг частицы. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Есть и практическое следствие — «электромагнитный щит». Сильно рассеивающая частица отклоняет световой поток так, что позади нее возникает область с ослабленным полем, заметно больше самой частицы. Свет слабее давит на другие наночастицы в этой тени, что может пригодиться в оптических пинцетах и биологических экспериментах, где паразитное давление света мешает удерживать объект.
«Нанофотоника сейчас развивается очень быстро, от фундаментальной науки к практическим разработкам. Уже есть несколько групп в мире, которые делают сверхтонкие плоские линзы из наночастиц. Толщина такой линзы — несколько сотен нанометров, и она плоская, поэтому камера смартфона может полностью уйти внутрь корпуса», — Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Чем сильнее одна частица взаимодействует со светом, тем проще и компактнее метаповерхности, сенсоры и элементы фотонных схем, но физику еще предстоит перенести в конкретные устройства.
По материалам Наука@Mail.ru