Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и Харбинского инженерного университета (Китай) раскрыли причину необычного поведения света внутри оптических микрополостей. Такие полости можно рассматривать как «лаборатории» для создания сильной связи между светом и веществом. Работа, опубликованная в журнале Nanophotonics, раскрывает потенциал этих полостей как полноценного инструмента для поляритонной физики. Исследование проведено при поддержке РНФ (проект 23‐72‐10005).
В 2023 году немецкие ученые показали, как запирать свет в оптические микрополости, или Ми-полости. В этом случае они выполняют роль резонатора, в котором «хранится» световая волна. Физтехи с коллегами из Китая решили пойти дальше и узнать, что произойдет, если полости будут заполнены поглощающим материалом или если окружающая среда станет дисперсионной (с высоким показателем преломления).
«Мы рассмотрели три случая: пустая полость в прозрачной среде, полость, заполненная резонансным материалом, и пустая полость внутри дисперсионного материала. Оказалось, что в последнем случае фотоны и экситоны образуют гибридные квазичастицы — поляритоны,— и время жизни света в полости может вырасти в разы»,— рассказал Денис Баранов, заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Поляритоны — это гибридные квазичастицы, которые возникают, когда фотон сильно связывается с возбуждением среды, например экситоном. В обычном резонаторе чем выше его добротность — то есть чем меньше он отдает световую энергию наружу,— тем дольше свет остается внутри.
В Ми-полостях все оказалось наоборот, но по другой причине. Увеличение жизни фотона происходит не из-за особых свойств полости, а за счет его взаимодействия с экситоном из внешней среды. Экситон может существовать гораздо дольше, чем фотон, поэтому поляритон, образовавшийся в результате их сцепления, сохраняет долгое время жизни. Благодаря этому он может дольше находиться в Ми-полости.
Исследователи получили аналитические формулы для добротности Ми-полостей и определили параметры возникновения сильной связи — того состояния, при котором энергия успевает переходить между веществом и светом быстрее, чем рассеивается.
Неожиданным открытием стало образование поляритонных зазоров — запрещенных зон, где свет не может распространяться. Они формируются в пустых Ми-полостях, окруженных поглощающей средой, и быстро растут с увеличением размеров полости. Такое явление может быть полезно для создания оптических ограничителей или переключателей.
«Мы показали, что Ми-полости могут одновременно решить две главные проблемы современной нанофотоники: высокие потери и сложность изготовления. Платформы на их основе позволят создавать сильносвязанные поляритонные системы без дорогих зеркал и наноплазмоники»,— добавил Денис Баранов.
Технология получения Ми-полостей уже отработана: их вырезают в кремнии с помощью фокусированного ионного пучка. Это значит, что результаты работы могут быстро перейти из теории в эксперимент и далее — в реальные устройства нанофотоники, такие как сверхчувствительные биосенсоры, детекторы и элементы солнечных батарей.
Научная статья: Evgeny Ryabkov, Mingzhao Song, Andrey A. Bogdanov, Denis G. Baranov, 2026. Polaritonic Spectra of Optical Mie Voids; Nanophotonics: e70097. https://doi.org/10.1002/nap2.70097.
