Международный коллектив физиков впервые показал, что частицы могут рассеивать свет только в боковом направлении, подавляя рассеяние вперед и назад. Ученые исследовали физику, лежащую в основе этого явления, подтвердили теоретические результаты экспериментом в микроволновом диапазоне и обнаружили, что решетки или метаповерхности из таких частиц могут быть полностью невидимыми. Эти результаты можно использовать для управления светом, создания голограмм или сенсоров. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

В исследованиях о рассеянии света в диэлектрической фотонике часто обращаются к эффекту Керкера, при котором объект рассеивает свет только вперед, по направлению от источника. Если свет рассеивается в обратном направлении, это называют анти-эффектом Керкера. Применяя эти явления, ученые стараются добиться новых необычных возможностей для управления светом на наномасштабе.

Международная группа ученых впервые показала, что эти явления могут возникать одновременно, а свет при этом будет рассеиваться только в боковом направлении. Они описали, при каких условиях этого можно добиться, и исследовали физику в основе нового эффекта. Теоретическую работу подтвердили экспериментальными данными из микроволнового диапазона. При этом результаты получили не только для одиночных частиц, но и для упорядоченной структуры – метаповерхности. За счет необычного поведения частиц решетку из них можно сделать невидимой: внешние поля частицы будут подавлять друг друга, в то время как внутреннее поле будет только усиливаться. При этом ни фаза, ни амплитуда падающей волны не будет изменяться, будто никакого препятствия на ее пути не было. Такие решетки или отдельные частицы можно применять, например, для сенсоров, нелинейных устройств и голограмм.

«Мы впервые объединили эффекты Керкера и анти-Керкера, чтобы выйти на новый уровень управления светом – достичь рассеяния только вбок почти без рассеяния вперед и назад. Причем проблема была в нехватке физического понимания процесса и сведений о параметрах, придающих объектам такой уникальный оптический отклик.  А нам удалось их описать, и в этом очень помогла большая международная коллаборация», – рассказывает Александр Шалин, руководитель международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО.

По словам авторов, исследование началось около года назад. В обсуждении первых теоретические выкладок участвовали Юрий Кившарь, профессор Австралийского национального университета и Университета ИТМО, а также Андрей Евлюхин из Лазерного центра Ганновера, Германия. На следующем этапе теоретической работы подключились соавторы из Университета Бен-Гурион в Израиле. Эксперименты проводились на базе Университета ИТМО. Такая командная работа и глубокое погружение в проблему помогло ученым обойти группу конкурентов из Китая, которые работали над похожей темой.

«В ходе работы я преодолел многие вызовы с помощью моего руководителя – доктора Александра Шалина и наших зарубежных коллег. Это придало уверенности. Надеюсь, я смогу применить это для развития моей отрасли. Оптика интегрирована во многие другие дисциплины – от технических инноваций до биологии и медицины. А в Университете ИТМО при этом создана уникальная среда для исследований, ведь множество ученых высокого класса работает вместе. Факультет поддерживает эту работу современным оборудованием и развитием международных коллабораций. Это делает возможности безграничными», – комментирует аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО Хади Шамхи.

Cтатья: Transverse scattering and generalized Kerker effects in all-dielectric Mie-resonant metaoptics. Hadi K. Shamkhi et al. Physical Review Letters. 22th April, 2019

Анастасия Комарова