При создании антенн, датчиков и лазеров одна из важнейших задач ‒ удержать свет внутри системы. Сегодня для этого используются резонаторы, основанные на металлах и диэлектриках. Ключевым параметром таких устройств является продолжительность жизни света в системе или время, за которое световая волна успевает погаснуть. Так как у металлов есть свободные электроны, резонаторы на их основе не могут избежать потерь энергии и удержать свет надолго, что ограничивает возможности лазеров и других устройств.
Исследователи из Университета ИТМО, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Центра нелинейной физики Австралийского национального университета обнаружили новый способ повышения эффективности резонаторов. Этого можно добиться, если создать структуру, в которой при попадании света будут возникать две волны одной частоты, но разной фазы. В таком случае возникает деструктивная интерференция, которая будет гасить вытекающие световые волны и блокировать угасание света в системе.
«В обычных резонаторах попавший свет со временем рассеивается из-за поглощения материалов или излучения вовне. Однако когда возникает деструктивная интерференция, излучение становится невозможным, и мы можем надолго запереть свет внутри резонатора. Такое явление на языке физики называется связанные состояния в континууме», ‒ объясняет Михаил Рыбин, старший научный сотрудник кафедры фотоники диэлектриков и полупроводников Университета ИТМО.
Полная реализация режима связанных состояний в континууме теоретически возможна для бесконечно длинного резонатора из материала, не поглощающего энергию. Создать бесконечный резонатор невозможно, однако ученым удалось приблизиться к идеалу. Они смогли выявить параметры резонатора, при которых время жизни света совпадает со значениями, предсказанными для бесконечной модели. Это происходит до тех пор, пока не вступают в силу ограничения, связанные с конечностью структуры и поглощением материала.
«Наш суперрезонатор не позволяет навсегда поймать свет, так как не обладает идеальным интерференционным гашением. Тем не менее, утечка энергии вовне подавляется довольно эффективно, поэтому мы можем удерживать свет в десять раз эффективнее, чем обычные резонаторы сопоставимых размеров», ‒ говорит Михаил Рыбин.
Такой эффект наблюдается в простом кремниевом цилиндре с определенным отношением радиуса к длине. Размер такого цилиндра составляет четыреста нанометров, что меньше длины волны видимого света. По словам авторов, компактность суперрезонатора позволит создавать миниатюрные лазеры на микрочипах и оптические сенсоры с высокой точностью.
«Для работы лазера нужно, чтобы свет многократно проходил через один и тот же атом. Чем лучше работает резонатор, тем меньше нужно излучающих свет атомов. А чем меньше его размеры, тем больше источников света можно разместить на оптическом чипе. Сами лазеры станут мощнее, а технология их создания проще. То же самое касается различных антенн и сенсоров, ‒ отмечает Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета. ‒ Среди других применений визуализация клеточных процессов и даже ночное зрение. Мы можем покрыть стекло очков наночастицами с таким суперрезонатором, усилить свет и сделать мир видимым в темноте».
Статья: «High-Q supercavity modes in subwavelength dielectric resonators» M. Rybin et al. Physical Review Letters. Dec. 14, 2017
