Коллектив ученых из МФТИ и Индии разработал метаповерхность с уникальными электромагнитными свойствами. Данная структура многократно усиливает эффект Парселла для электрических и магнитных излучателей и открывает новые пути для создания фотонных устройств следующего поколения. Результаты опубликованы в журнале Laser and Photonics Reviews.
Метаматериал — искусственно созданная структура, состоящая из большого числа элементов — мета-атомов. Расположение мета-атомов строго задано и определяет физические свойства системы. Поскольку она имеет искусственное происхождение, то проявляются физические свойства, не характерные для природных материалов. Например, метаматериалы могут обладать отрицательным показателем преломления, отрицательной диэлектрической или магнитной проницаемостью, эффектом суперлинзирования (способность специальных оптических систем формировать изображения с точностью, превышающим дифракционный предел), невидимости и т. д. Применения их достаточно широки и востребованы в различных областях, например, медицине, фотонике, квантовых технологиях и даже строительстве.
В своей новой работе физики смоделировали метаповерхность, в которой возможна одновременная реализация бианизотропии и анапольного состояния. В материале, обладающем свойством бианизотропии, электрическая и магнитная поляризуемости связаны и влияют друг на друга. С другой стороны, анапольное состояние характеризуется полным погашением рассеяния мета-атомом, однако электрическое поле внутри и в непосредственной близости от частицы в этом случае сильно возрастает.
Ученые показали, что если метаповерхность проявляет указанные свойства на одной и той же длине волны, наблюдается значительное усиление эффекта Парселла. Суть его заключается в изменении скорости спонтанного излучения точечного источника света, расположенного в полости резонатора.
«Метаповерхности, работающие на других эффектах для достижения высоких значений фактора Парселла, существуют. Например, анапольные, которые концентрируют электрическую энергию и увеличивают электрический фактор Парселла. Однако нам впервые удалось достигнуть столь высоких значений, причем как для электрического, так и для магнитного эффектов», — рассказал Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Предлагаемая структура состояла из мета-атомов в виде кремниевых нанодисков с частичной прямоугольной щелью. Из них формировалась бесконечная двумерная структура с шагом в 425 нм. Такая метаповерхность позволяет одновременно реализовать бианизотропию и анапольное состояние на одной и той же длине волны. В анапольном состоянии электрическое поле концентрируется в мета-атоме и его щели. Бианизотропия позволяет «перекачивать» часть энергии в магнитную компоненту поля внутри частицы за счет электромагнитной связи поляризуемостей. Благодаря этому описанная система обладает высокой концентрацией как электрического, так и магнитного полей внутри щели резонатора.
Рисунок 1. 2D метаповерхность (бесконечный массив), помещенная в воздух (n = 1) . Схематичное изображение мета-атома. Геометрические параметры: диаметр D = 360 нм, высота H = 90 нм, параметры щели: a = 100 нм, b = 135 нм и h = 50 нм. (изображение слева). Схематичное изображение 2D поверхности. (изображение справа). Источник: журнал Laser and Photonics Reviews
«Основная трудность была в реализации на одной частоте двух разных эффектов, настройке их правильного взаимодействия. Нам это удалось сделать впервые в мире, хотя, конечно, основной результат — это рост электрического и магнитного факторов Парселла», — поделился Александр Шалин.
Результаты моделирования оптического отклика показали, что описанная метаповерхность обладает одновременно бианизотропией и анапольными состоянием в диапазоне длин волн 750—805 нм. Ученые рассчитали, что такой метаматериал имеет высокий электрический фактор Парселла (примерно 450) и магнитный фактор Парселла равный примерно 1000.
Применение одновременно двух указанных явлений в кремниевых метаповерхностях значительно расширяет возможности контроля излучения квантовых источников. Новые свойства открывают дорогу к созданию оптических устройств следующего поколения для квантовых компьютеров, оптоинформационных цепей и целого ряда различных нанофотонных приложений.
«Мы хотели бы реализовать нашу метаповерхность экспериментально, все проверить, а дальше рассматривать уже конкретные применения подобных мета-атомов и структур в прикладных задачах», — рассказал Александр Шалин.
Исследование частично поддержано грантом Российского научного фонда № 23-72-00037.
