Одна из ключевых задач нелинейной нанофотоники – преобразование частоты электромагнитного излучения на наномасштабе. Меняя частоту, излучение можно перевести из одного диапазона в другой: из терагерцового в инфракрасный, а из инфракрасного в видимый. С такой трансформацией хорошо справляются макроскопические устройства, но воспроизвести их работу в масштабах наномира непросто.
Дело в том, что из-за малых размеров наночастицы взаимодействуют со светом по особым законам. Поэтому, чтобы сделать преобразование частоты света на наномасштабе эффективнее, нужно снизить потери энергии в ходе трех ключевых процессов в наночастице: ввода излучения, удержания энергии и нелинейного преобразования.
Для решения этих задач международная команда физиков из Университета ИТМО, Нелинейного оптического центра Австралийского национального университета и Университета Бресшиа в Италии предложила использовать новый тип резонаторов. Это диэлектрические наночастицы в форме диска с высоким показателем преломления, которые поддерживают локализованные состояния в континууме. Такие состояния возникают, когда несколько видов колебаний электромагнитной энергии в частице взаимно подавляют друг друга. За счет этого энергия света оказывается «заперта» внутри частицы.
Теоретически, таким образом энергию можно запереть навсегда, но для этого нужны идеальные резонаторы. На практике «поймать» свет на продолжительное, но конечное время можно и в одиночной наночастице. Для этого нужно найти оптимальное соотношение формы, размеров и материала.
«Мы описали такие одиночные диэлектрические нанорезонаторы в своей прошлой работе, но не проанализировали возможность их практического применения. Теперь, совместно с коллегами из Италии – Лука Карлетти и профессором Константино дэ Ангелис – мы рассчитали, как резонатор генерирует свет с удвоенной частотой. Результаты показали, что такая структура позволяет повысить эффективность нелинейного процесса на два порядка. Правда, все оказалось не так просто: нам пришлось искать оптимальный способ ввода энергии в резонатор. Мы выяснили, что в нашем случае нужно закрутить падающую волну и изменить ее поляризацию так, чтобы она колебалась по касательной к кругу. Это соответствует структуре электромагнитного поля внутри частицы», ‒ рассказывает Кирилл Кошелев, сотрудник Международной лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.
В итоге ученым удалось добиться рекордной эффективности удвоения частоты света диэлектрическими наночастицами. Вместо сотой доли процента в ходе преобразования сохраняется несколько процентов энергии света. Такие значения потенциально позволяют детектировать преобразованное излучение, а значит, предложенный метод можно использовать в практических работах.
«Мы предложили способ создания нано-преобразователей света, которые можно будет использовать для различных применений. Например, для плоских линз в приборах ночного зрения, которые будут переводить инфракрасное излучение в видимый свет. При этом выбранный нами диэлектрический материал, арсенид алюминия-галлия, имеет отработанную технологию производства и доступен для различных лабораторий. Это должно способствовать развитию дальнейших исследований в области нелинейной нанофотоники, а также расширению сферы применений нелинейных нано-преобразователей излучения», ‒ добавляет Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета.
Ссылка: Giant nonlinear response at the nanoscale driven by bound states in the continuum. Luca Carletti, Kirill Koshelev, Costantino De Angelis, Yuri Kivshar. Physical Review Letters, 19th July, 2018.
Исследование было поддержано грантом Российского Научного Фонда №17-12-01581.
