Исследователи из ИТМО и МФТИ добились сверхрассеяния на наночастицах

«Когда излучение лазера падает на наночастицу, она рассеивает электромагнитную энергию в виде набора четко определенных сферических волн — мультиполей. Каждый мультиполь — это канал рассеяния, по которому утекает часть рассеянной энергии. В научном сообществе широко было признано, что каждый такой канал не может нести мощность больше определенного предела», — рассказывает Адриа Канос Валеро, первый автор исследования, научный сотрудник ИТМО.

Научная группа под руководством Александра Шалина из МФТИ исследовала, как максимизировать рассеяние от кластеров наночастиц. В ходе работы ученые обнаружили, что в большинстве ситуаций рассеяние больше, чем предполагалось. Сначала исследователи подумали, что это численная ошибка. Но затем быстро поняли, что в основе лежит физический принцип.

Оказалось, что существовавший ранее предел рассеяния хорошо определен для идеальных сценариев: когда свет рассеивается на сферической частице или на бесконечно длинном нанопроводе. В общем случае при рассеянии образуются несколько каналов-мультиполей, которые могут интерферировать, увеличивая или уменьшая мощность, которую они несут. Ученые задумались, насколько еще можно выйти за предел рассеяния. 

Ключ к ответу на этот вопрос лежал в физике связанных состояний в континууме. А именно, в особом виде интерферирующих резонансов, известных как механизм резонансов Фридриха — Винтгена. Ранее были описаны квазисостояния с сильно подавленным рассеянием. В них возникает деструктивная интерференция, когда волны от мультиполей складываются «в противофазе», подавляя друг друга. Исследователи поняли, что в их случае резонансы с увеличенным рассеянием следуют той же физике. Только интерференция получается конструктивная: когда волны складываются «в фазе», усиливая друг друга.

Ученые построили модель и рассчитали форму наночастиц, при которых можно «нарушить» предел и добиться сверхрассеяния. Затем экспериментаторы по рецепту теоретиков изготовили подходящие керамические частицы и проверили предсказания с помощью микроволновой спектроскопии.

«Это прежде всего фундаментальный эффект. Некоторые коллеги, которым я кратко рассказывал о наших результатах, не верили: говорили, что так не может быть. Теперь они могут почитать статью и убедиться, что может», — рассказывает Александр Шалин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических структур МФТИ.

Помимо фундаментальной важности, у сверхрассеяния есть и потенциальные практические приложения. Так как этот эффект очень чувствительный, на его основе можно будет разрабатывать биосенсоры и материалы для солнечных батарей, а также оптические наноантенны для квантовых и оптических компьютеров.

«Одно из потенциальных практических применений, которое хорошо иллюстрирует обнаруженный эффект, — это создание некоторого щита от электромагнитных сил и излучения. На картинке видно, что свет частицу огибает, а тень получается значительно больше самой частицы. Получается, что за ней можно “спрятать” что-то крупнее, чем сама частица», — поясняет Александр Шалин.

Исследование выполнено при поддержке Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».