Группа ученых из МФТИ и Сколтеха исследовала, как можно с помощью эффекта Казимира точно управлять угловым положением наноструктур. Результаты их исследования, проведенного при поддержке РНФ (проект 22-12-00351-П), опубликованы в журнале Physical Review A (Letter).
В 1948 году нидерландский физик Хендрик Казимир предсказал нечто на первый взгляд невозможное: два электрически нейтральных идеальных проводника, помещенных в идеальный вакуум, должны притягиваться друг к другу. Оказалось, что точное значение силы притяжения можно вычислить из анализа флуктуаций вакуума.
Объектом изучения российских исследователей стали одномерные фотонные решетки из анизотропного диэлектрика: параллельные полоски материала, скорость распространения света в котором различается в зависимости от направления и поляризации. Такие фотонно-кристаллические слои сами по себехорошо изучены. Но ученые взяли систему из двух решеток, повернутых друг относительно друга, причем в каждой из них ось анизотропии материала дополнительно повернута относительно направления полос. Такой поворот нарушает одну из зеркальных симметрий, что делает подрешетки хиральными в плоскости, а их взаимодействие посредством сил Казимира нетривиальным.
Для расчета взаимодействия двух таких решеток авторы применили метод матриц рассеяния в формализме Казимира—Лифшица — метод, учитывающий реальные оптические свойства материала, его потери, дисперсию и сложную геометрию.
Результаты оказались интересными. В симметричном случае (ось анизотропии параллельна или перпендикулярна полоскам) энергия пропорциональна косинусу угла: система стремится либо к параллельной, либо к перпендикулярной ориентации — классический результат, уже известный науке. Но как только ось анизотропии отклоняется на некоторый угол, симметрия нарушается, а минимум энергии оказывается при ненулевом угле относительного поворота решеток.
Оказалось, что этот равновесный угол таков, что оси анизотропии обеих решеток практически параллельны независимо от расстояния между ними.
Последнее обстоятельство принципиально важно: равновесный угол не зависит от зазора между решетками. Это означает, что, как только две хиральные решетки оказались достаточно близко, они «знают», в какое положение им нужно повернуться, и делают это сами, под действием казимировского крутящего момента. Такое свойство делает их кандидатами на роль элементов самосборки в нанофотонике.
Наталья Салахова, младший научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха и выпускница МФТИ, уточняет: «Ключевой результат в том, что равновесный угол определяется внутренними параметрами материала. Это дает новую степень свободы при проектировании фотонных наноструктур с заранее заданным поведением».
Илья Фрадкин, научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ и Центра инженерной физики Сколтеха, так описал значимость работы: «До сих пор крутящий момент Казимира рассматривался как любопытное физическое явление, которое трудно использовать практически — его величина мала, а угловая зависимость слишком проста. Введение хиральности кардинально меняет картину: появляется ненулевой равновесный угол, определяемый свойствами материала. Это дает возможность проектировать наноструктуры, которые самостоятельно находят нужную ориентацию безо всякого внешнего управления».
Практическое применение открытия — в области реконфигурируемой нанофотоники. Оптические компоненты, способные самостоятельно принимать заданное угловое положение без механических приводов, могут использоваться в сверхминиатюрных датчиках, оптических переключателях и квантово-оптических схемах, в которых внешнее механическое воздействие невозможно или нежелательно.
Следующий шаг для исследовательского коллектива — поиск материалов с оптимальной анизотропией для максимального казимировского крутящего момента.
