Мы живем в мире резонансов. Наш смартфон ловит сигнал благодаря резонансной антенне, микроволновка разогревает еду за счет резонансного поглощения электромагнитного излучения молекулами воды, а разные объекты — от мостов до небоскребов — не разрушаются потому, что сконструированы с учетом резонансной природы различных явлений — например, землетрясений. Считается, что именно диэлектрические микро- и нанорезонаторы помогут приблизить будущее полностью оптической эры, когда электронику во многом заменит оптика. Шаг в этом направлении сделали и ученые ИТМО ― они продемонстрировали новые фотонные свойства резонаторов, которые позволят управлять их параметрами при создании сенсоров, детекторов и антенн в различных устройствах. Исследование опубликовано в Materials Today.
Источник: photogenica.ru
Людям с давних времен известен эффект шепчущей галереи. Это акустическое явление, которое свойственно любому круглому помещению с гладкими стенами ― например, его можно слышать во всемирно известной «шепчущей» галерее собора Святого Павла в Лондоне. В таких помещениях шепот человека, стоящего лицом к стене, хорошо распространяется по кругу зала, но не слышен в его центре. Это происходит из-за того, что звуковые волны многократно отражаются от округлых стен и формируют вдоль стены резонансные стоячие волны — так называемые моды шепчущей галереи. Объекты, в которых проявляется такой эффект, представляют собой дисковые или цилиндрические резонаторы и обладают всего лишь одной боковой стенкой, вдоль которой бежит акустическая или оптическая волна.
Распространение мод шепчущей галереи характерно и для кольцевых резонаторов, однако наличие двух боковых стенок вместо одной стенки диска должно приводить к новым акустическим и оптическим резонансным состояниям. Изучение свойств кольцевых резонаторов в различных режимах позволит найти для них новые применения в нанофотонике. Кроме того, кольцевые резонаторы уже выступают одним из основных строительных блоков передовых интегральных оптических схем и применяются в качестве сенсоров, детекторов и антенн в различных устройствах.
![Схема эксперимента: физики поместили кольцевой резонатор из керамики в центр безэховой камеры, а на равноудаленном расстоянии в 4 м от него разместили излучающую и принимающую антенны. Изображение предоставлено Николаем Солодовченко.](https://news.itmo.ru/images/news/big/1302200.png)
Схема эксперимента: физики поместили кольцевой резонатор из керамики в центр безэховой камеры, а на равноудаленном расстоянии в 4 м от него разместили излучающую и принимающую антенны. Изображение предоставлено Николаем Солодовченко.
Что сделали в ИТМО
Ученые ИТМО совместно с исследователями Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН продемонстрировали, что резонансные свойства кольца фундаментально отличаются от свойств диска, а акустическая и оптическая волны заполняют весь объем резонатора, а не только узкую область вдоль его внешней боковой стенки. Для этого они преобразовали диск в узкое кольцо при постепенном увеличении радиуса внутреннего отверстия и исследовали изменение резонансных свойств при такой перестройке структуры.
Авторы работы показали разнообразие резонансов, которые возбуждаются, а значит, детектируются и излучаются кольцевыми резонаторами. В отличие от дисковых резонаторов, кольцевые обладают четырьмя боковыми стенками, а потому в них возникают не только продольные, но и поперечные резонансы, а также можно наблюдать их взаимодействие. Это открывает новые возможности для применения диэлектрических резонаторов в акустике и фотонике.
Чтобы исследовать новые свойства кольцевых резонаторов, ученые ИТМО сделали предварительные расчеты и провели эксперимент в безэховой камере — так называют помещение, в котором полностью поглощаются звуковые или электромагнитные волны. Физики поместили кольцевой резонатор из керамики для радиочастотного диапазона с очень малыми тепловыми потерями в центр камеры, а на равноудаленном расстоянии от него разместили излучающую и принимающую антенны. Затем исследователи измерили спектры рассеяния света, которые совпали с изначальными расчетами, и обнаружили новые явления в спектрах кольцевых резонаторов: резонанс Фано и эффект Керкера, связанные состояния в континууме, исключительные точки в параметрическом пространстве. Их изучение может пролить свет на природу различных линейных и нелинейных эффектов, в том числе усиление фотолюминесценции и генерацию гармоник высокого порядка.
Эксперимент позволил теоретически и экспериментально продемонстрировать различные новые эффекты. Например, ученые смогли увеличить добротность резонатора (это поможет повысить его чувствительность как антенны или сенсора), а также получили нулевое рассеяние света на кольце, что позволяет сделать реальный диэлектрический объект практически невидимым в определенном спектральном диапазоне. Обнаружение новых свойств диэлектрических резонаторов открывает сразу несколько возможностей: во-первых, можно более свободно выбирать параметры резонатора и рабочей длины волны, а также иметь возможность переключаться между нулевым и максимальным сигналом в разных спектральных диапазонах.
![Визуальное отличие резонансных свойств кольца (справа) от свойств диска (слева): оптическая волна заполняет весь объем кольцевого резонатора, а не только узкую область вдоль его внешней боковой стенки, как это происходит у диска. Изображение предоставлено Николаем Солодовченко.](https://news.itmo.ru/images/news/big/1302201.jpg)
Визуальное отличие резонансных свойств кольца (справа) от свойств диска (слева): оптическая волна заполняет весь объем кольцевого резонатора, а не только узкую область вдоль его внешней боковой стенки, как это происходит у диска. Изображение предоставлено Николаем Солодовченко.
Где можно применить результаты исследования
В будущем результаты исследования позволят расширить фундаментальное понимание связанных состояний в континууме и создать на их основе улучшенный BIC-лазер из кольцевых резонаторов, который, в отличие от дискового, будет многомодовым. Такой лазер можно настроить на излучение света с определенной длиной волны — например, это актуально для целого ряда медицинских применений.
«В науке, как и в жизни вообще, большую роль играют стереотипы. Именно такая ситуация сложилась с изучением резонансных фотонных свойств кольцевых резонаторов. Их исследованию и применению посвящены сотни публикаций, в которых авторы рассматривали функционирование кольцевых резонаторов в режиме мод шепчущей галереи. Именно поэтому наша работа неоднократно отвергалась редакциями ведущих журналов: рецензенты просто не могли поверить, что в многократно исследованных кольцевых резонаторах скрывается что-то еще, причем гораздо более интересное и перспективное. Наш коллектив сумел выйти за рамки этих стереотипов, в результате чего появилась статья в высокорейтинговом журнале — и это только начало новой области исследований. Идеи, которые родились при изучении кольцевых резонаторов, мы уже используем для новых работ, так как оптических резонаторов различной геометрической формы много и теперь мы понимаем, какие новые свойства могут быть обнаружены и использованы на практике», — рассказал один из авторов исследования и аспирант физического факультета Николай Солодовченко.
Статья: Nikolay Solodovchenko, Mikhail Sidorenko, Timur Seidov, Igor Popov, Elizaveta Nenasheva, Kirill Samusev, Mikhail Limonov. Cascades of Fano resonances in light scattering by dielectric particles (Materials Today, 2022).
Елизавета Кокорина
Журналист
Последние новости
-
-
«Экспериментальная физика» — программа дополнительного образования для учащихся 8-10 классов
-
Совместная программа Нового фихтеха и Центра «Интеллект»
-
Разработан рекордно маленький нанолазер для сверхкомпактных чипов
-
В ИТМО объединили черно-белую и цветную лазерную печать с помощью гибридного кристалла