Что такое анапольные состояния

Полвека назад советский физик Яков Зельдович, помимо дипольных электрических и магнитных, квадрупольных и высших конфигураций токов, предложил рассматривать еще и тороидальные. Тор — это геометрическое тело, которое образуется вращением круга вокруг прямой, лежащей в плоскости этого круга, но не пересекающей его. Другими словами, внешне тор напоминает бублик ― круг с дыркой посередине.

«Если закрутить провод вокруг тора, сделать катушку, то магнитное поле будет циркулировать внутри него. В свою очередь, вокруг магнитного поля распространяется электрическое. И если посмотреть на излучение электромагнитной волны от данных тороидальных токов, то окажется, что оно неотличимо от излучения электромагнитных волн, исходящих от обычных дипольных электрических источников», — поясняет Михаил Рыбин, соавтор работы, старший научный сотрудник физического факультета ИТМО.

Тор, стереографическая проекция. Источник: wikipedia.org

Яков Зельдович предположил, что если в одном объекте могут одновременно существовать электрические дипольные и тороидальные токи, то они, вероятно, будут создавать поле в противофазе. Соответственно, в дальнем поле излучение будет погашено этими двумя источниками.

«То есть будет наблюдаться определенное движение тока, но потерь энергии за счет излучения поля не произойдет. Материальные объекты с подобным явлением мы не сможем наблюдать вовне. И Зельдович назвал такую конфигурацию гасящих друг друга электрических дипольных и тороидальных токов "анапольным состоянием", то есть состоянием, у которого нет дальнего поля», — комментирует Михаил Рыбин.

Как анаполи могут использоваться при разработке лазеров

Ученые ИТМО продемонстрировали генерацию лазерного излучения на анапольных модах.

Например, если взять кремниевый диск, то в нем возникают анапольные состояния. Они появляются за счет возбуждения высших квадрупольных магнитных мод. Если выключить внешнее возбуждающее поле, то квадрупольная мода будет быстро терять энергию из-за излучения электромагнитных волн, и в итоге мы не получим эффекта лазерной генерации.

«В свою очередь, мы решили выстроить все эти частицы в пространственную решетку и за счет этого погасили всё излучение, кроме излучения "вверх" и "вниз". Фактически, мы эту моду заперли, а все ее тороидальные токи, которые могут взаимодействовать с электрическими и дипольными, сохранили. Таким образом, получилась структура, в которой возможно появление этих высокодобротных анапольных мод, где поле может очень долго осциллировать. И это очень важное условие для получения эффективной лазерной генерации», — рассказывает Михаил Рыбин.

Исследователь поясняет, что тороидальная вращающаяся мода и электрически дипольная излучают поле в противофазе. Это поле хочет вырваться наружу, но не может.

«Этот процесс сродни тому, как два человека хотят выйти через узкую дверь, но одновременно они этого сделать не могут, возникает давка. Да, они смогут попасть наружу при определенных условиях — допустим, если пойдут друг за другом, но они хотят выйти одновременно. Примерно так же и у нас: энергия уходит очень медленно и появляется возможность для эффективной лазерной генерации в достаточно маленькой структуре», — заключает ученый.

Исследователи создали ряд образцов и продемонстрировали лазерную генерацию за счет анапольных мод, в которых они смогли запереть энергию. В дальнейшем это исследование может помочь при разработке компактных источников лазерного излучения, например лабораторий на чипе.

Подробнее об исследовании: Aditya Tripathi, Ha-Reem Kim, Pavel Tonkaev, Soon-Jae Lee, Sergey V. Makarov, Sergey S. Kruk, Mikhail V. Rybin, Hong-Gyu Park and Yuri Kivshar, Lasing Action from Anapole Metasurfaces (Nano Lett., 2021).