Коллаборация российских и китайских ученых впервые продемонстрировала сверхрассеяние Керкера. Этот эффект перспективен для разработки субволновых антенн, однонаправленных ответвителей и много другого. Результаты опубликованы в Physical Review Applied.
Эффект Керкера описывает однонаправленное рассеяние света, возникающее благодаря взаимодействию между электрическими и магнитными дипольными моментами внутри резонатора. В классическом случае сечение излучения ограничено пределом одноканального рассеяния — фундаментальное ограничение на максимальное сечение рассеяния.
Для преодоления этого порога ученые использовали метаповерхность в субволновом диэлектрическом резонаторе. Параметры данной системы оптимизировались с помощью генетического алгоритма в соответствии с рассчитанными аналитическими условиями для сверхрассеяния Керкера.
Рисунок 1. Схема сверхрассеяния Керкера, полученное с помощью диэлектрического резонатора, покрытого метаповерхностью из металла. Источник: журнал Physical Review Applied.
Физики из МФТИ разработали аналитические условия для создания сверхрассеяния. Они основаны на концепции электрического и магнитного супердиполей, то есть диполей, превышающих пределы одноканального рассеяния. Их конструктивная интерференция увеличивает сечения рассеяния примерно в четыре раза относительно одноканального предела. Отношение рассеяния вперед к рассеянию назад получилось равным 35, что подтверждает сильную однонаправленность рассеяния — ключевую характеристику эффекта Керкера.
Рисунок 2. Электрический супер-диполь возникает благодаря конструктивной интерференции между декартовым электрическим диполем, индуцированным во всем резонаторе, и декартовым тороидальным электрическим диполем, индуцированным в метаповерхности. Магнитный супердиполь формируется с помощью конструктивной интерференции между декартовыми магнитными диполями, индуцированными в диэлектрическом резонаторе и метаповерхности (b). Интерференция между электрическим и магнитным супер-диполями приводит к сверхрассеянию Керкера (c). Источник: Physical Review Applied.
«Наша группа впервые реализовала сверхмультипольный эффект Керкера — когда электрический и магнитный диполи превосходят предел одноканального рассеяния. Это привело к увеличению рассеяния в несколько раз. Частица собирает энергию с площади, гораздо большей ее геометрического сечения, и рассеивает все полностью вперед из-за эффекта Керкера», — пояснил Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Китайские ученые провели эксперименты с диэлектрическим резонатором, покрытым медной поверхностью. Измерения показали, что метаповерхность увеличивает сечение рассеяния примерно в два с половиной раза относительно того же резонатора. Также наблюдается небольшой сдвиг частоты (около 0,2 ГГц) рассеянной волны, который объясняется различиями в свойствах материалов. После прекращения входного импульсного излучения суперрассеяние Керкера сохраняло устойчивый сигнал дольше обычного рассеяния, с уменьшением ширины резонансной линии.
Предложенная система для получения суперрассеяния Керкера перспективна для применения в направленных антеннах, оптических наноантеннах, метаповерхностях Гюйгенса для металинз и метаголограмм. Кроме того, разработанная концепция может быть расширена и на другие волновые системы, например, акустические явления.
В будущем ученые планируют получить данный эффект в оптике на более простых структурах и разработать элементы оптических цепей на их основе.
________________________
Работа поддержана Российским научным фондом (проект № 23-72-00037).
Научная статья: Jiangshui Li, Zhanyuan Zhang, Yi Xu, Songnian Fu, Jun Yang, Yuncai Wang, Alexander S. Shalin, Yuwen Qin; Kerker superscattering; Physical Review Applied 23, 014001 (2025)
