Ученые предложили модель мультипольных решеток, которые могут лечь в основу более эффективных метаповерхностей

Резонатор — это один из наиболее распространенных и важных элементов практически любых оптических и оптоэлектронных устройств. Принцип его действия основан на явлении резонанса: подобно тому, как музыкальные инструменты усиливают звуковые волны, оптические резонаторы усиливают световые. Но чтобы создавать оптические устройства, необходимо разрабатывать такие резонаторы, которые можно реализовать с помощью планарной технологии ― так они затем могут стать частью, например, интегральной оптической микросхемы. 

В последние годы одним из наиболее перспективных кандидатов на роль планарных резонаторов считаются диэлектрические метаповерхности — двумерный аналог метаматериалов. Метаповерхности представляют собой периодические массивы очень маленьких резонаторов — метаатомов, и могут поддерживать особый тип оптических резонансов — связанные состояния в континууме (ССК), когда излучение полностью «заперто» внутри метаповерхности.  

Развитием этого перспективного направления активно занимается научная группа Андрея Богданова на Новом физтехе ИТМО.  

Связанные состояния в континууме чрезвычайно чувствительны к изменению параметров метаповерхности: например периоду и толщине структуры. Поэтому создавать метаповерхности, у которых резонансные свойства будут проявляться на нужных частотах и углах падения, крайне сложно. И это также серьезная проблема для практического использования связанных состояний в континууме.

«В опубликованной работе нами была разработана теоретическая модель для описания связанных состояний в континууме в мультипольных решетках ― периодических массивах резонансных мультиполей. Мультипольные решетки являются хорошим приближением для описания диэлектрических и плазмонных метаповерхностей, так как такие системы обладают сильным оптическим откликом, связанным с резонансами Ми. В окрестностях этих резонансов обычно доминирует только один мультиполь, что позволяет значительно упростить описание сложной системы», — рассказывает аспирант Нового физтеха Сергей Гладышев.

Чем уникальны ССК в такой модели? Обычно связанные состояния очень чувствительны к любым изменениям в системе — например, если менять период решетки, то вместе с ним будет меняться и угол, под которым наблюдается ССК.  Предсказанные учеными ИТМО связанные состояния в континууме полностью устойчивы к изменениям параметров системы, то есть будут наблюдаться всегда под одним и тем же углом. Это отдаленно похоже на ту причину, по которой поляризованный свет не отражается от воды или стекла под определенным углом — углом Брюстера. В этот момент каждый отдельный метаатом просто не может излучать в определенном направлении ― а значит, не излучает и вся метаповерхность. Это и удалось продемонстрировать в опубликованной работе, а также изучить топологическую природу ССК.  

«Если мы рассматриваем реалистичную систему, то каждый метаатом ведет себя как сложная суперпозиция мультиполей. Однако если в излучении по какой-то причине доминирует вклад только от одного мультиполя, зачастую всеми остальными с хорошей точностью можно пренебречь», — объясняет магистрант Нового физтеха и автор опубликованной статьи Артём Шалев.

Ученым удалось разработать такую модель мультипольной решетки, в которой связанные состояния в континууме сохраняются даже при произвольной геометрии и, соответственно, при её изменении или деформации. Но работает это только в том случае, если система является субволновой, то есть период самой решетки меньше, чем длина волны облучающего её света. 

Создание метаповерхности — это сложный процесс подбора конфигурации и геометрии, бесконечные пробы и ошибки. Поэтому физики используют компьютерное моделирование и аналитические расчеты с помощью упрощенных моделей. Разработанный подход как раз и позволяет проводить быстрые оценки и предсказывать положения ССК в метаповерхностях. 

«Один из подходов к проектированию метаповерхностей — метод решения обратной задачи. Когда мы заранее понимаем, какое поле или отклик мы хотим получить от системы, и, исходя из этого, подбираем её параметры и конфигурацию. Так, если мы хотим получить какой-то определенный спектр отклика, например, отражения или пропускания, то нам необходимо понять, каким откликом должен обладать каждый метаатом в отдельности, то есть как должен быть устроен мультипольный состав его излучения. Наша программа позволяет это сделать чрезвычайно быстро и точно», — дополняет Артём Шалев.

Сейчас разработанная программа для моделирования оптимизирована так, чтобы на основании желаемого электромагнитного поля подобрать оптимальные параметры мультипольной решетки. Следующим шагом будет понять, из каких материалов и какой формы должны быть отдельные метаатомы, чтобы обладать таким мультипольным откликом. Но для этого к уже существующему инструменту нужно добавить алгоритмы машинного обучения — именно этим и планируют заняться разработчики в ближайшем будущем.  

«Глобальная цель — автоматический способ создания новых конфигураций метаповерхностей — достаточно амбициозна, но вполне реализуема. Мы уже делаем первые шаги к этому. Но пока что нашей задачей было посмотреть, что в такой системе будет происходить со связанными состояниями в континууме, и убедиться, что они будут вести себя немного по другим законам, нежели в реальной структуре. И мы получили хороший результат для понимания физики связанных состояний в континууме и того, как они работают», — заключает Артём Шалев.

Работа выполнена при поддержке фонда РНФ и программы «Приоритет-2030».   

Статья: Sergei Gladyshev, Artem Shalev, Kristina Frizyuk, Konstantin Ladutenko, and Andrey Bogdanov, Bound states in the continuum in multipolar lattices. Phys. Rev. B, vol. 105, no. 24, 2022, p. L241301