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 «запереть» 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.
«Обычно, чтобы запереть свет в какой-то среде, требуются структуры значительных размеров. К примеру, многокилометровый оптоволоконный кабель, который используется сейчас, в частности, для передачи интернет-сигнала, — рассказывает сотрудник Нового физтеха и первый соавтор научной публикации Кирилл Кошелев. — Другой вариант — это упорядоченные структуры из большого числа наночастиц, которые вместе работают как единая среда, удерживающая свет».
Еще два года назад интернациональная научная команда из сотрудников Нового физтеха, Австралийского Национального Университета и Физико-технического Института им. А.Ф. Иоффе предсказала теоретически 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.
Кирилл Кошелев, первый автор статьи, сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО, и профессор Юрий Кившарь, научный руководитель Нового физтеха и глава центра нелинейной физики Австралийского Национального Университета
«В физике главный критерий все же — это эксперимент. Можно создавать какую угодно теорию, но пока она не подтверждена экспериментально, она остается теорией», — рассказал соавтор исследования, ведущий научный сотрудник Нового физтеха и руководитель программы «Нанофотоника и метаматериалы» Андрей Богданов.
Нанометровая ловушка для света
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 галлия — 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.
Андрей Богданов, ведущий научный сотрудник Нового физтеха и соавтор исследования
Для эффективного захвата света необходимо заставить луч отражаться от внутренних поверхностей структуры как можно большее число раз и при этом не вылетать из резонатора. На первый взгляд может показаться, что для этого нужно придать объекту как можно более сложную форму, с многочисленными гранями. Но на самом деле все совсем наоборот: чем больше у резонатора граней, тем скорее попавший в него свет вылетит наружу. Близкой 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. Математически это было рассчитано, теперь необходимо это было проверить экспериментально.
«Наши коллеги из Кореи изготовили набор цилиндрических резонаторов из арсенида галлия, это один из самых распространенных полупроводниковых материалов, широко используемых в оптоэлектронике, — рассказывает Кирилл Кошелев. — Это делается следующим образом: на тонкой пластине рисуются круги нужного диаметра, а потом вокруг них вытравливается лишний материал, оставляя цилиндры нужных размеров. Для нас были изготовлены цилиндры разных диаметров, в целом близкие к 900 нанометров. Такой размер 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 колебаний световой волны. А здесь 200! Таким образом мы экспериментально показали совершенно новое физическое явление — захват электромагнитной световой волны на очень долгое время в изолированной наночастице».
При этом в зависимости от диаметра цилиндров время удержания света падает достаточно резко, но не критично. Это важно, поскольку при массовом производстве подобных резонаторов невозможно добиться точности вплоть до одного-двух нанометров. Всегда будут погрешности в пять-десять нанометров, что, согласно результатам эксперимента, не является критичным.
«Мы пришли к совершенно новой физике, которой не было раньше. Наша работа помогает развернуть всю отрасль нанооптики, использование в ней метаматериалов, совсем в другом направлении. До этого было непонятно, как заставить диэлектрики и полупроводники эффективно удерживать падающее поле. И вот этот способ нами найден», — объясняет ведущий автор исследования профессор Юрий Кившарь, научный руководитель Нового физтеха и глава центра нелинейной физики Австралийского Национального Университета.
Помимо арсенида галлия для создания таких «ловушек» можно использовать и другие диэлектрики или полупроводники – к примеру, кремний, самый распространенный материал 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.
Команда Австралийского Национального Университета в оптической лаборатории (слева-направо): доктор Сергей Крук, профессор Юрий Кившарь и аспирант Елизавета Мелик-Гайказян
Важен каждый шаг
Для того, чтобы эксперимент удался, необходимо было также использовать совершенно особенный луч света, напоминающий в сечении бублик.
«Резонатор определенной формы, в нашем случае цилиндр, хорошо откликается только на падающее поле определенной формы, — поясняет Кирилл Кошелев. — Наши специфические резонаторы откликаются на очень специфическую конфигурацию полей. Визуально это выглядит следующим образом: у обычного лазера в середине луча максимум, а в нашем — минимум. То есть в сечении это как бы кольцо, в середине которого почти нет электрического поля, однако за счет сильной фокусировки свет эффективно проникает в резонатор».
«В нашей работе описано пошаговое создание таких систем, показано, что каждый шаг чрезвычайно важен. Чтобы добиться большой эффективности, нужно не проиграть на каждом шаге: в размере частицы, в ее форме, в форме луча и так далее. Все эти шаги они как бы перемножаются, и если в каком-то ты проиграешь, то весь эксперимент будет умножен на ноль», — говорит Андрей Богданов.
Эксперимент ученых продолжает работы основателей квантовой механики Джона фон Неймана и Юджина Вигнера, которые почти век назад предсказали похожие эффекты для электронов в квантовой механике. Хотя фотон и электрон имеют разные свойства и их поведение отличается, происходящее описывается универсальной физикой и похожими законами.
«Нам удалось стать первыми, кто эту красивую физику Неймана и Вигнера реализовал в оптике, вернее, в нанооптике, которая работает с управлением светом в объектах, сопоставимых по размеру со световой длиной волны. Идея физики в том, что в этом резонаторе может существовать несколько электромагнитных волн с близкими частотами колебаний, которые могут взаимодействовать друг с другом. Если две волны будут в противофазе, то есть горбы одной волны будут приходиться на впадины другой, то они будут друг друга как бы гасить и тем самым подавлять излучение света из структуры», — рассказывает Кирилл.
Левая панель. Коммерческие подложки из арсенида галлия. Правая панель. Изображение изготовленного нанорезонатора со сканирующего электронного микроскопа. Источник: findlight.net; научная статья
От теории к практике
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 реализовано наноустройство для изменения частоты световой волны, а стало быть, и цвета луча.
«Мы посветили лазером с какой-то определенной электромагнитной энергией, — рассказывает Кирилл. — И часть этой энергии преобразовалась в другой диапазон частот. Проще говоря, свет был изначально инфракрасный и имел длину волны порядка 1500 нанометров, однако после пребывания в нашей частичке арсенида галлия он стал красным с длиной волны порядка 750 нанометров, то есть стал различим человеческим глазом. Иными словами, мы смогли с помощью маленькой частицы меньше микрометра преобразовать длину волны в два раза, причем эффективность этого преобразования оказалась как минимум в 100 раз выше, чем описывалось до этого. Это революционно высокая эффективность преобразования для наномасштабов».
Впрочем, изменение частоты электромагнитных колебаний, важное для оптической обработки данных, — это не единственное применение разработки. Также в перспективе его 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 можно использовать 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», — рассказал Кирилл Кошелев.
