Ученые ИТМО и Харбинского инженерного университета экспериментально доказали существование уникальных особенностей рассеяния света в открытых оптических системах с Ми-резонансами. Обнаруженные эффекты позволяют с высокой точностью контролировать коэффициенты поглощения и усиления света и обеспечивать исключительную восприимчивость оптических систем к внешним воздействиям. Полученные результаты открывают возможности создания сверхчувствительных сенсоров, а также оптических устройств для обработки и передачи информации. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Источник: leungchopan / Фотобанк Фотодженика

Оптические структуры используют в дизайне большинства устройств: смартфонах, лазерах и сенсорах. И чем более совершенными становятся современные приборы, тем более компактные, устойчивые и эффективные оптические компоненты необходимы для их создания. Но зачастую технические требования к подобным структурам выходят за рамки фундаментальных ограничений классической оптики. И преодолеть многие из них возможно с помощью так называемых не-Эрмитовых систем.

В классических, или Эрмитовых, системах не происходит потерь или обмена энергией с внешней средой. Не-Эрмитовы же системы, которые еще называют открытыми, взаимодействуют с окружающей средой, из-за чего возникают нетривиальные оптические эффекты. Например, в таких системах могут проявляться исключительные и диаболические точки. Первые — это состояния, при которых несколько резонансов системы сливаются в одну точку и демонстрируют экстремальную чувствительность к внешним параметрам. Диаболические точки связаны с явлением сверхрассеяния, когда свет рассеивается намного сильнее, чем в обычных условиях. Эти эффекты позволяют с высокой точностью регулировать чувствительность оптических систем, управлять коэффициентами поглощения и усиления света и создавать оптические устройства с заданными характеристиками.

До этого момента существование исключительных и диаболических точек в одиночных структурах было предсказано лишь теоретически. Однако ученые ИТМО и Харбинского инженерного университета впервые в мире экспериментально продемонстрировали эти явления в субволновых фотонных структурах — Ми-резонаторах. Для этого они использовали диэлектрические кольцевые резонаторы, в которых удалось «захватить» свет и путем точной настройки геометрических параметров резонансов создать условия для появления исключительных и диаболических точек. Ближнепольное сканирование также показало, что внутри резонаторов свет не только эффективно захватывается, но и происходит его значительное усиление.

«Мы наблюдали связь нескольких не-Эрмитовых особенностей в рассеянии света, включая анапольное состояние и сверхрассеяние. В анапольном состоянии электрические и магнитные дипольные моменты интерферируют таким образом, что внешнее рассеяние подавляется и резонатор становится оптически "невидимым". В свою очередь, сверхрассеяние возникает, когда несколько резонансов в системе накладываются, многократно усиливая рассеяние света. Мы доказали, что исключительные точки всегда появляются в анапольном режиме, а диаболические — в состоянии сверхрассеяния. Кроме того, мы подтвердили, что исключительные точки демонстрируют экстремальную чувствительность: малейшее изменение геометрии резонатора, например, его высоты, приводит к гигантскому спектральному сдвигу резонанса», — объясняет руководитель исследовательской группы, доцент физического факультета ИТМО Андрей Богданов.

Ученые также научились предсказывать точные параметры системы, при которых возникают исключительные и диаболические точки. В перспективе это позволит целенаправленно проектировать не-Эрмитовые фотонные структуры и использовать их в дизайне более эффективных и чувствительных устройств. Например, сверхчувствительных сенсоров для детектирования биомаркеров заболеваний в крови, мониторинга уровня загрязнения воздуха и воды или контроля деформаций материалов. Результаты исследования открывают возможности и для разработки новых оптических компонентов нелинейной оптики и топологической фотоники.

Авторами проекта выступили аспирант ИТМО Николай Солодовченко и магистрант Харбинского инженерного университета (XИУ) Фан Жанг. Исследование проводилось в рамках программы «Приоритет 2030» и Дорожной карты развития Совместного кампуса ИТМО-ХИУ и Международного центра нанофотоники и метаматериалов в городе Циндао.

Ксения Десяткова

Журналист