Международная команда ученых провела фундаментальное исследование оптических анаполей методом возбуждения быстрыми электронами. Полученные результаты расширяют знания в перспективной отрасли и открывают новые пути развития нанофотоники и физики наноматериалов. Работа опубликована в журнале Nature communications.
Анаполи представляют собой особые распределения тока, вызывающие наблюдаемые явления, характеризующиеся сильным подавлением электромагнитного излучения. Такое возможно при взаимодействии разных конфигураций полей. Например, наблюдается ослабление излучения при взаимодействии частиц разной формы. Когда эти явления сильны, система образует конфигурацию тока, известную как оптическое анапольное состояние, когда поле замкнуто на себя, то есть его излучение во вне ослабляется. При появлении таких структур, найти заряженные частицы становится сложнее, обеспечивая тем самым невидимость для нанообъектов, что открывает многообещающие применения в нанофотонике. Кроме того, такие структуры концентрируют электромагнитные поля в небольших объемах, где возникает резонанс, что способствует усилению ряда свойств, например рассеяния света.
Денис Баранов, заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов МФТИ, поясняет: «Оптические анаполи представляют собой интригующие распределения зарядового тока, характеризующиеся сильным подавлением электромагнитного излучения. Они возникают в результате деструктивной интерференции излучения электрических и тороидальных мультиполей. Хотя анаполи в диэлектрических структурах были исследованы с помощью комбинации оптических методов ближнего и дальнего поля, их возбуждение с помощью пучков быстрых электронов до сих пор не изучалось. Учитывая нынешний интерес ученых к анаполям, мы предполагаем, что рассмотренные метод станет полезным инструментом для доступа к оптическим анаполям, появляющимся в различных диэлектрических нанорезонаторах».
В работе авторы теоретически и экспериментально анализируют возможность возникновения анапольных, то есть замкнутых структур, в нанодисках немагнитных веществ, например, дисульфида вольфрама (WS2), с помощью электронной спектроскопии. Используемый метод электронной спектроскопии заключается в использовании плотно сфокусированного электронного луча, который позволяет изучать оптические свойства материала с пространственным разрешением вплоть до атомного масштаба, одновременно связывая эту информацию с точным размером, формой и структурой образца.
Чтобы показать преимущество электронной спектроскопии перед оптической спектроскопией, то есть перед наблюдении в классический микроскоп, авторы численно посчитали и сравнили взаимодействие диэлектрических дисков с электронами и со светом. Было выяснено, что только электронный пучок может позволить достаточно точно изучать исследуемые объекты. Таким образом при использовании видимого излучения, мы не можем рассмотреть вещество на нужном масштабе. Возможность исследования оптических анапольных состояний с помощью пучков быстрых электронов превращает рассматриваемый метод в многообещающий инструмент для фундаментальных исследований оптических явлений с участием анаполей. Чтобы экспериментально проверить численные расчеты, учёные изготовили нанодиски с высоким показателем преломления с различными радиусами и провели опыт по потерям энергии электронов для пространственного разрешения. Результаты эксперимента подтвердили аналитическую модель и расчёты.
Более того, исследования показали, что возможно составить карту анаполей, возбужденных в нанодисках WS2, с субнанометровым разрешением и обнаружить, что их возбуждением можно управлять, помещая электронный луч в разные положения на нанодиске (рисунок 2).
Результаты исследования показывают, что выбранный метод является мощным инструментом для изучения состояний рассеяния и сложных взаимодействий с электронной структурой диэлектрических материалов, выходящих за рамки возможностей, предлагаемых обычными оптическими методами. Авторы ожидают, что их результаты откроют новые возможности для изучения магнитных анапольных состояний в других веществах с высоким разрешением.
В исследовании, кроме ученых из МФТИ, принимали участие их коллеги из Испании, Швеции и Дании.
