Физики предложили более простой способ искажения идеальных метаматериалов
Чтобы детектировать различные вещества методами оптической сенсорики, физики используют метаматериалы, 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. Обычно метаповерхности состоят из одинаковых частиц, расположенных в упорядоченной последовательности. Чтобы исказить структуру, незначительно меняют положение всех частиц, но это сложно и не всегда удобно.
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.
Результаты исследования помогут создать более чувствительные сенсоры, а также снизить требования к среде излучения лазеров и сделать сами лазеры меньше в несколько раз. Также подход актуален для создания различных нелинейных эффектов, которые в перспективе позволят сделать более компактный преобразователь длины волны на чипе. Например, подобные устройства используются для оптоволоконной связи, чтобы передавать больше информации.
«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.
