Исследовательская группа из Университета ИТМО и Австралийского национального университета обнаружила, что разные плоские периодические фотонные структуры, или метаповерхности, одинаково реагируют на нарушение симметрии своих ячеек, или метаатомов. Асимметрия метаатомов приводит к появлению высокодобротных резонансов в спектрах пропускания метаповерхности. Такие резонансы способны во множество раз усиливать внешний сигнал. Это означает, что, меняя асимметрию, можно контролировать добротность резонансов и эффективно управлять оптическим откликом метаповерхности, что крайне важно для практического использования. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

Добротность фотонных структур является одним из наиболее важных параметров, определяющих эффективность взаимодействия света с веществом. Этот параметр характеризует, насколько эффективно структура может удерживать и накапливать свет. Обычно с уменьшением геометрических размеров образца, в частности толщины, добротность сильно снижается, и такие структуры уже не подходят для многих практических применений.

В своей новой работе команда физиков из Университета ИТМО и Австралийского национального университета под руководством Юрия Кившаря проанализировала механизм появления высокодобротных резонансов и выяснила, что это никак не связано с толщиной структуры. На самом деле возникновение резонансов полностью определяется симметрией метаатома — элементарной ячейки метаповерхности. Таким образом, на основе метаповерхностей с нарушенной симметрией ячеек можно создавать тонкие (с толщиной меньше длины волны света) и в то же время высокоэффективные сенсоры, лазеры и нелинейные источники излучения.

Ученые показали, что природа высокодобротных резонансов в метаповерхностях с нарушенной симметрией элементарной ячейки определяется связанными состояниями континуума. Это безызлучательные состояния, которые возникают, когда несколько резонансов системы накладываются друг на друга и взаимно подавляются за счет деструктивной интерференции.

«Мы изучаем связанные состояния в континууме в течение двух лет в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом. В какой-то момент мы поняли, что природа высокодобротных резонансов в метаповерхностях кроется в локализованных состояниях континуума. Оказалось, что вводя асимметрию, мы контролируемо разрушаем связанные состояния континуума, превращая их в высокодобротные резонансы. Мы тщательно и кропотливо проанализировали около десятка систем с нарушенной симметрией, описанных в литературе, и в итоге показали, что в основе описанных ранее эффектов лежат связанные состояния в континууме», — рассказывает Андрей Богданов, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

«Главным результатом нашей работы является обобщение результатов большого количества работ из разных областей фотоники и радиофизики, которые объединяет только структура, то есть метаповерхность с асимметрией структурной ячейки, и характер наблюдаемого явления — острые и узкие резонансы в спектральном отклике. В предыдущих работах это явление объясняли с помощью введения новых терминов. Мы же показываем теоретически и численно, что все физические явления можно просто описать универсальным интерференционным явлением — связанными состояниями континуума, известными в квантовой физике еще с начала 20 века», — отмечает Кирилл Кошелев, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

По словам ученых, глубокое понимание оптики асимметричных метаповерхностей приведет к существенному упрощению создания материалов с заданным оптическим откликом. В дальнейших работах исследователи планируют использовать полученные результаты для анализа нелинейных оптических эффектов в похожих метаповерхностях.

Статья: Asymmetric Metasurfaces with High-Q Resonances Governed by Bound States in the Continuum, Kirill Koshelev et al. Phys. Rev. Lett. November, 9

Анастасия Комарова

Центр научной коммуникации