Физики из МФТИ создали метаповерхность с уникальными электромагнитными свойствами
Группа ученых из МФТИ и Индии разработала метаповерхность с уникальными электромагнитными свойствами. Новая структура позволяет значительно усилить эффект Парселла как для электрических, так и для магнитных излучателей, что открывает перспективы для создания фотонных устройств нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser and Photonics Reviews.
Метаматериалы представляют собой искусственно созданные структуры, состоящие из большого числа элементов — мета-атомов. Их строго заданное расположение определяет физические свойства материала. В результате такие структуры демонстрируют свойства, не характерные для природных материалов, например, отрицательный показатель преломления, сверхлинзирование и даже эффект невидимости. Метаматериалы находят применение в медицине, фотонике, квантовых технологиях и многих других областях.
В своей новой работе ученые смоделировали метаповерхность, которая сочетает два уникальных свойства: бианизотропию и анапольное состояние. В бианизотропных материалах электрическая и магнитная поляризуемости взаимосвязаны, оказывая влияние друг на друга. Анапольное состояние, в свою очередь, характеризуется отсутствием рассеяния света мета-атомом, при этом электрическое поле внутри мета-атома и в его ближайшей окрестности усиливается.
Физики показали, что сочетание этих двух свойств на одной длине волны приводит к значительному усилению эффекта Парселла — изменения скорости спонтанного излучения точечного источника света в резонаторе.
«Метаповерхности, работающие на других принципах для достижения высоких значений фактора Парселла, уже существуют. Например, анапольные, которые увеличивают электрический фактор Парселла. Однако нам впервые удалось достичь столь высоких значений как для электрического, так и для магнитного факторов», — отметил Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Предложенная структура состоит из кремниевых нанодисков с частичной прямоугольной щелью, формирующих двумерную метаповерхность с шагом 425 нм. Такое устройство позволяет реализовать бианизотропию и анапольное состояние на одной длине волны. В анапольном состоянии электрическое поле концентрируется внутри мета-атома и его щели, а бианизотропия направляет часть энергии в магнитную компоненту, усиливая магнитное поле.
«Основная сложность заключалась в настройке двух эффектов на одной частоте и их правильном взаимодействии. Нам удалось впервые достичь этого, что привело к увеличению электрического и магнитного факторов Парселла», — добавил Александр Шалин.
Результаты моделирования показали, что метаповерхность обладает одновременно бианизотропией и анапольным состоянием в диапазоне длин волн 750–805 нм. Ученые рассчитали, что электрический фактор Парселла в этом материале достигает 450, а магнитный — 1000.
Использование бианизотропии и анапольного состояния в кремниевых метаповерхностях существенно расширяет возможности управления излучением квантовых источников. Эти свойства открывают путь к созданию оптических устройств для квантовых компьютеров, оптоинформационных систем и других нанофотонных приложений.
«Мы планируем реализовать метаповерхность экспериментально, чтобы подтвердить теоретические результаты и исследовать возможные прикладные применения», — поделился Александр Шалин.
Источник: Физики исследовали, как анизотропия и анапольное состояние влияют на фактор Парселла в кремниевой метаповерхности — За науку