Версия для печати

Новый подход к созданию метаматериалов для усиления взаимодействия вещества со светом

Сотрудники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, Института точной механики и оптики (ИТМО) и Чжэцзянского университета (КНР) предложили новый подход к созданию метаматериалов, чтобы усилить взаимодействие света с веществом. Метод поможет создать более компактные лазеры и чувствительные сенсоры. По сравнению с традиционным подходом, технология требует меньшей точности и позволяет использовать более дешевое оборудование. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

Схематическое изображение подхода, предложенного в работе. Повернутая частица осуществляет связь между модой метаповерхности и внешним полем – розовым лучом. Изображение предоставлено авторами статьи.

Чтобы детектировать различные вещества методами оптической сенсорики, физики используют метаматериалы. Это материалы, которые выступают в качестве резонаторов и усиливают взаимодействие света с веществом. Дело в том, что каждая молекула взаимодействует с определенной длиной волны света. Резонатор настроен на длительное удержание света на заданной длине волны – поэтому вероятность обнаружить молекулу, то есть чувствительность детектора, повышается.

Чтобы сделать детектор более точным, ученые стараются повысить эффективность удержания света метаматериалами – и даже придумали способ создать «идеальный» резонатор, который удерживает свет бесконечно долго. Однако на практике устройство бесполезно – такой резонатор совсем не впускает и не выпускает свет, не позволяет менять оптический сигнал.

Поэтому ученые стремятся научиться искажать этот «идеальный» резонатор так, чтобы структура – метаповерхность – впускала и выпускала свет наружу в нужном количестве. При этом чем больше внести искажений, тем шире будет «дверца», через которую свет сможет заходить и выходить.

Обычно метаповерхности состоят из одинаковых частиц, расположенных в упорядоченной последовательности. Чтобы исказить структуру, ученые незначительно меняют положение всех частиц, но это сложно и не всегда удобно.

Что придумали

Ученые из ИТМО, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и Чжэцзянского университета (Китай) предложили настраивать связь резонатора и окружающего пространства другим способом: изменять положение не всех частиц, а только части из них, но при этом поворачивать их под более существенным углом. Это позволяет достигать такой же связи света и вещества, как при изменении всех частиц. Технология требует меньшей точности, поэтому позволяет использовать более дешевое оборудование.

В своем подходе физики рассмотрели каждый отдельный элемент метаповерхности как приемо-передающую антенну, которая принимает свет и отдает его в эту структуру. Чтобы частицы могли выступать в качестве таких антенн, авторы предложили деформировать часть из них.

Чтобы проверить подход, физики создали метаповерхности с помощью литографии. Тонкие кремниевые пленки с защитным полимерным покрытием помещали в кислотную среду, которая разъедала кремний там, где он не был защищен полимером. Вытравленные кремниевые частички нужной формы ученые облучали световой волной и измеряли отражение и пропускание света. Изображения получены методом электронной микроскопии. Изображение предоставлено авторами статьи.

Что дальше

Результаты исследования помогут создать более чувствительные сенсоры, а также снизить требования к среде излучения лазеров и сделать лазеры меньше в несколько раз. Это позволит снизить потребление энергии и создать более компактные источники света. Также результаты актуальны для создания различных нелинейных эффектов, которые в перспективе позволят сделать более компактный преобразователь длины волны на чипе. Например, такие устройства используются для оптоволоконной связи, чтобы передавать больше информации по волокну

«Мы планируем продолжать исследование и хотим применить наш подход для света циркулярной поляризации – когда направление электромагнитного поля двигается по спирали, а не по прямой. Такой свет хорошо взаимодействует с закрученными в спираль молекулами. Молекулы могут быть закручены в разных направлениях – и в зависимости от этого могут быть как ядом, так и лекарством для человека, поэтому важно уметь их различать. Если мы создадим структуры, которые поддерживают электромагнитный свет, закрученный только в одну сторону, то научимся различать эти молекулы – в частности, это пригодится в сенсорике», – рассказал один из авторов статьи, старший научный сотрудник физического факультета Михаил Рыбин.

Михаил Рыбин. Фото: ITMO.NEWS.

Работа поддержана Российским научным фондом. 

Публикация: Sergei Li, Binze Ma, Qiang Li and Mikhail Rybin. Antenna-Based Approach to Fine Control of Supercavity Mode Quality Factor in Metasurfaces (Nano Letters, 2023).

Елизавета Кокорина.
Источник: Институт точной механики и оптики.