Значительная часть современных приборов, которыми ежедневно пользуются люди, построена на принципах управления теми или иными волнами — акустическими, оптическими, радиоволнами. С их помощью мы нагреваем объекты, производим медицинские манипуляции, записываем и передаем информацию. Важным элементом в таких системах являются резонаторы — устройства, позволяющие «поймать» падающую волну, многократно усиливая ее интенсивность.
От эффективности резонаторов зачастую зависит работа всей системы, построенной на управлении светом, звуком или микроволновыми колебаниями. И тут возникает проблема: с одной стороны, хороший резонатор обычно имеет большие размеры (по сравнению с длиной волны колебаний), а с другой ― он должен быть маленьким, чтобы устройство было максимально компактным.
«Одной из основных характеристик резонатора является его добротность ― способность накапливать падающую электромагнитную энергию, — рассказывает сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО, доцент Университета ЛЭТИ Михаил Одит. — Обычно добротность резонатора очень быстро затухает с уменьшением его размеров. Поэтому важной задачей становится создание компактного и в то же время высокодобротного резонатора. Для решения это задачи мы решили прибегнуть к использованию так называемых связанных состояний в континууме».
Вдохновляясь квантовой механикой
Явление связанных состояний в континууме было описано еще 1929 году в работе Неймана и Вигнера по квантовой механике. Оно заключается во взаимодействии излучений двух связанных резонансов, существующих в одной открытой системе. Это взаимодействие может приводить как к усилению, так и к полному подавлению излучения резонатора в дальней зоне. Наблюдение этого эффекта возможно лишь в резонаторах определенной формы.
«В нашей работе было показано, что мы можем обеспечить такую геометрию резонатора, при которой излучаемые им колебания в дальней зоне подавляют друг друга, — объясняет Михаил Одит. — Это происходит, когда резонатор формирует два типа колебаний, имеющих схожую форму полей и возникающих на одной частоте. Если колебания взаимно вычитаются, резонатор перестает излучать энергию, что фактически означает значительное увеличение его добротности, то есть улучшение его главной характеристики. При этом размеры резонатора остаются много меньше, чем длина волны, то есть резонатор является компактным».
Чтобы наблюдать описанный эффект, нужно правильно выбрать форму, размеры и материал резонатора. В исследовании ученые рассматривали резонатор цилиндрической формы, который выполнен из диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостью.
Эксперимент
В значительной степени сфера научных интересы ученых Нового физтеха лежит в области фотоники и управления светом. Однако нередко ученые, работая с одним видом излучения, проводят эксперименты с другим. Оптические эксперименты весьма сложны и дороги в реализации. В то же время известно, что в силу линейности уравнений Максвелла, описывающих электромагнитные колебания, не имеет значения, какого размера будет экспериментальный образец.
Электромагнитная волна будет взаимодействовать по одним и тем же законам как с наноцилиндром, так и с цилиндром макроскопических размеров, который можно держать в руке. Поэтому считается стандартом выполнять первичную проверку новых открытий сначала в микроволновом диапазоне, где эксперимент сделать проще и быстрее.
Чтобы пронаблюдать необходимый эффект, в работе требовалось очень точно с малым шагом изменять высоту диэлектрического цилиндра. Но изготовить десятки цилиндров близких размеров было бы очень дорого, поэтому была предложена идея сделать набор из цилиндров, высота которых менялась от ¼ до 15 мм. Таким образом, комбинируя такие цилиндры, можно было собрать конечный образец нужной высоты с большой точностью.
В качестве материала цилиндра была выбрана микроволновая керамика. Цилиндры были изготовлены ООО «Керамика», давним партнером университета.
«Нам был необходим резонатор с большой диэлектрической проницаемостью, — рассказывает аспирант Университета ИТМО Сергей Гладышев. — Это необходимо для наилучшей локализации электромагнитной энергии в резонаторе. Это помогло в эксперименте увидеть четкий резонанс даже при наличии паразитных шумов. Микроволновая керамика с низкими потерями подходила для этого лучшим образом. Ее свойства сохранялись даже для цилиндров с толщиной меньше миллиметра»
В результате ученым удалось найти оптимальные размеры цилиндра и экспериментально наблюдать суперрезонансные состояния. При этом было показано, что уже 5% изменение высоты резонатора приводило к стократному увеличению его добротности. Как подчеркивают авторы работы, им, по сути, удалось получить максимально высокую добротность резонатора для данного материала. Сделать его более эффективным можно, только предложив еще более совершенный диэлектрик.
Работа ученых опубликована в Advanced materials.
Статья: Mikhail Odit, Kirill Koshelev, Sergey Gladyshev, Konstantin Ladutenko, Yuri Kivshar, Andrey Bogdanov. Observation of Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators. Advanced materials, 2020/10.1002/adma.202003804
