Российские ученые продемонстрировали новый тип мод — октупольные квазизахваченные моды на метаповерхности, состоящей из нанодисков дисульфида молибдена MoS2. Это открытие способствует созданию эффективных концентраторов и нелинейных преобразователей света на основе метаповерхностей Ван-дер-Ваальса. Результаты опубликованы в журнале Laser and Photonics Reviews.
Захваченные моды — это собственные электромагнитные моды, которые локально формируются внутри симметричной оптической структуры, например, упорядоченной решетки наночастиц. При этом они совсем не имеют связи с распространяющимися вокруг волнами. В результате такие моды не способны ни поглощать извне, ни рассеивать энергию в окружающую среду. Поэтому их трудно возбудить внешним источником. Обычно для их возбуждения нарушают симметрию системы, — в систему вносят дефекты, через которые энергия может быть закачена в структуру извне. В качестве дефектов могут выступать небольшие отверстия разрезы в наночастицах. Однако эти же дефекты становятся центрами рассеяния, что приводит к уменьшению добротности мод, а сами такие моды называют квазизахваченными.
Российские физики нашли способ избежать проблему перерассеяния света на дефектах. Они предложили экспериментальную реализацию нового механизма возбуждения высокодобротных октупольных захваченных мод, не требующего создания дефектов структуры. Механизм основан на открытом ими же ранее фундаментальном эффекте мультипольной связи (каплинга) в субдифракционной решетке — оптической метаповерхности. Также, как и в классическом случае, октупольная мода не имеет связи с полем накачки и напрямую не возбуждается. Однако, подобрав параметры оптической решетки, можно заставить такую октупольную моду взаимодействовать с низкодобротной дипольной модой той же решетки. Последняя, в свою очередь, эффективно возбуждается падающей волной. По-сути, дипольная мода выступает посредником. Она получает энергию извне и передает ее в неизлучающую октупольную захваченную моду, что приводит к запиранию и концентрации электромагнитной энергии в решетке. В основе октупольной моды лежит восьмиполюсный (октупольный) тип зарядов и сложный характер распределения ближнего поля, когда «горячие пятна» с высокой концентрацией энергии буквально заполняют весь объем наночастицы, что важно для приложений.
Метаповерхность представляет собой периодическую последовательность строительных блоков в виде нанодисков MoS2, расположенных на кварцевой подложке. Диски выполняют роль нанорезонаторов, посредством которых и возбуждаются мультипольные резонансы различного порядка, в т. ч. дипольные и октупольные, а также служат для наблюдения октупольной захваченной моды. Принципиально важен выбор именно Ван-дер-Ваальсова материала в качестве основы для изготовления дисков. Такие материалы имеют слоистую структуру и обладают сильной оптической анизотропией, т.е. разностью показателей преломления вдоль и поперек слоев. Последнее обстоятельство сильно способствует дополнительной локализации света внутри строительных блоков, препятствует развитию негативных эффектов дифракции в подложку.
Рисунок 1. Изготовление и характеристика метаповерхностей Ван-дер-Ваальса. а) Пример применения пошаговой стратегии изготовления метаповерхности Ван-дер-Ваальса на основе свойств исходного материала на основе б) проектирования метаповерхности Ван-дер-Ваальса, состоящей из дисков MoS2, предназначенных для наблюдения квазизахваченых октупольных мод. Источник: журнал Laser and Photonics Reviews.
Метаповерхность была спроектирована так, чтобы в ней дополнительно наблюдался хорошо известный анапольный эффект, но на иной длине волны. Этот эффект также способствует концентрации света нанообъектами за счет деструктивной интерференции различного типа мультиполей (статичных и тороидальных). Поэтому в работе он использовался в качестве эталона для анализа нового явления. Сравнение показало, что новый эффект обладает существенно большей добротностью, т. е. концентрацией энергии в предельно-узком диапазоне длин волн. Эта особенность делает его полезным для таких приложений, как разработка концентраторов света, лазеров поверхностного излучения, параметрических усилителей света.
«Мы реализуем принципиально новый эксперимент, в котором одна метаповерхность, состоящая из дисков MoS2, позволяет нам наблюдать классический гибридный анапольный режим на одной длине волны и новое явление захваченных октупольных мод на другой длине волны. В том числе это стало возможно благодаря удобству оптимизации параметров системы на основе Ван-дер-Ваальсовых материалов. Их оптическая анизотропия — это та новая степень свободы, что позволяет нарушить жесткие связи параметров Ми-резонаторов из традиционных оптических материалов типа кремния», — рассказал Алексей Прохоров, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Потенциальные области применения нового эффекта включают узкополосные преобразователи света, фотонные датчики и высокодобротные нанофотонные устройства. Эта работа представляет первую экспериментальную демонстрацию использования фундаментального механизма мультипольной связи для управления высокодобротными оптическими резонансами в метаповерхностях Ван-дер-Ваальса.
_____________________
В работе участвовали физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Владимирского государственного университета им. Александра и Николая Столетовых и Исследовательского центра новых технологий XPANCEO (ОАЭ).
Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-12-20015 и грант № 22-19-00738).
