По словам заместителя заведующего кафедрой фотоники диэлектриков и полупроводников Университета ИТМО и сотрудника лаборатории спектроскопии твердого тела ФТИ им. А. Ф. Иоффе Михаила Рыбина, понять явление связанных состояний в континууме поможет следующая аналогия: мяч катится по ровной поверхности и падает в лунку. Если мячу хватит энергии, он может выбраться и продолжить движение, в противном случае он останется кататься в лунке. Элементарная частица же может «упасть» в так называемую потенциальную яму — область пространства, покинуть которую частица может, только обладая определенным уровнем кинетической энергии. Если ее недостаточно, частица будет колебаться на дне потенциальной ямы или находиться в связанном состоянии. Еще в 1929 году ученые Джон фон Нейман и Юджин Вигнер описали условия, при которых частица остается в связанном состоянии даже в том случае, когда ее энергия выше, чем необходимо для преодоления краев ямы. Долгое время явление рассматривали всего лишь как математическую особенность, возникающую при решении уравнений специального вида, которая не имеет отношения к реальной жизни. Однако с развитием теории резонансов было доказано, что подобные состояния можно наблюдать для самых разных волновых процессов, включая, например, звуковые волны и волны на поверхности воды.
В своей публикации Михаил Рыбин и руководитель Центра нелинейной физики в Австралийском национальном университете и соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Юрий Кившарь пишут про одно из практических применений явлению под названием «связанные состояния в континууме». Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего — Ашок Кодигала, Томас Лепетит, Куинг Гу и другие — использовали его для создания инфракрасного лазера нового типа. При генерации лазерного излучения обычно используется резонатор (к примеру, два параллельных зеркала), который заставляет волны света многократно проходить через активную среду, увеличивая при этом интенсивность. Однако идеальных зеркал не существует, и свет постепенно «убегает» из этой структуры, но эффект связанных состояний в континууме позволяет его локализовать и увеличить добротность резонанса.
«Обычно для того, чтобы удержать свет, используются зеркала, эффект полного внутреннего отражения, различные периодические структуры. Для эффективного удержания света требуется, чтобы они были большого размера. Используя эффект связанных состояний в континууме, можно создавать очень компактные лазеры: Ашок Кодигала с коллегами создали структуру размерами всего 10*10 микрон с высотой в 300 нанометров. Это очень мало, и это является существенным шагом в сторону миниатюризации источников света для нужд нанофотоники», — объясняет Михаил Рыбин.
Юрий Кившарь и Михаил Рыбин отмечают, что результаты, полученные американскими коллегами, могут быть использованы при проектировании оптических наноантенн, реализации оптических вычислений, в сфере биосенсинга. Созданный исследователями из США лазер излучает свет с длиной волны около 1550 нанометров — эта длина волны повсеместно используется в оптических линиях связи. Таким образом, новый способ генерации лазерного излучения обладает крайне широким спектром потенциального применения.
Отметим, что Nature является одним из самых старых и авторитетных научных журналов, в котором публикуются исследования из разных областей науки. Авторы материалов рубрики News&Views объясняют суть и значимость исследований своих коллег таким образом, чтобы с ними могли ознакомиться ученые любого научного профиля.
