Kæmpe forbedring af elektromagnetiske bølger afsløret i små dielektriske partikler

Forskere fra Lomonosov Moskva Statsuniversitet, sammen med deres russiske og udenlandske kolleger, har opnået de første direkte målinger af gigantiske elektromagnetiske felter, der opstår i dielektriske partikler med højt brydningsindeks ved spredning af elektromagnetiske bølger. Forskerne har præsenteret deres projektresultater i Videnskabelige rapporter .

Miniaturisering af grundelementer inden for elektronik kræver nye tilgange. Det er således blevet meget vigtigt at skabe intensive elektromagnetiske felter koncentreret i det mindst mulige volumen. Forskere fra Lomonosov Moskva Statsuniversitet i samarbejde med et internationalt team gennemførte de første direkte målinger af et kæmpe resonansfelt spændt inde i en subbølgelængde dielektrisk partikel ved spredning af en plan elektromagnetisk bølge og gav den komplette kvantitativt teoretiske forklaring af den observerede effekt.

Fysiker Michael Tribelsky, den førende forfatter, siger, "I teorien, denne effekt har været kendt. I dette tilfælde, spredningspartiklen fungerer som en tragt, indsamle indfaldende stråling fra et stort område og koncentrere det i et lille volumen inden i partiklen. Imidlertid, der er mange vanskeligheder på vej til praktisk realisering. Metalliske nanopartikler var de første kandidater til sådanne 'feltkoncentratorer'. Desværre, de har bedraget forventningerne. Pointen er, at metaller har store dissipative tab i det mest interessante anvendelsesområde for synlige lysfrekvenser for de indfaldende bølger. Spredningen fører til betydelige energitab, spildt til frugtløs (og ofte skadelig) opvarmning af nanopartiklen, og reducerer den resonante forstærkning af det elektromagnetiske felt. I et sådant tilfælde, det ville være naturligt at vende sig til dielektriske partikler. Desværre, det er ikke så enkelt at håndtere dem. "

Hvis en partikel ikke har et højt brydningsindeks, resonansvirkningerne er svage. Med hensyn til partiklerne med højt indeks, hvis størrelse er mindre end den indfaldende strålings bølgelængde, den almindelige opfattelse var, at det elektromagnetiske felt næppe trængte ind i en sådan partikel. Imidlertid, det viser sig, at ved nogle frekvenser af den indfaldende stråling, sagen er lige modsat. Nemlig, feltet trænger ikke kun ind i partiklen, men dens høje koncentration kan observeres. I en vis forstand, effekten er analog med svingbuen på grund af svage, men vel timede skub.

"Vores hovedresultat er, at så vidt vi ved, vi er de første til at opnå det direkte eksperimentelle bevis på effekten og måle profilerne af de ophidsede felter, ”Siger Michael Tribelsky.

Vanskelighederne ved de tilsvarende målinger ved optiske frekvenser er relateret til nødvendigheden af ​​at måle felter inden for en nanopartikel, og målingernes rumlige opløsning skal være i størrelsesordenen nanometer. Forskerne modellerede spredning af lys med en nanopartikel ved hjælp af identisk spredning af radiobølger med en centimeterstørrelse. For at kunne flytte en sonde inde i partiklen, flydende dielektrikum (sædvanligt destilleret vand holdt ved en bestemt fast temperatur) hældt i en gennemsigtig for den hændende radiobølgebeholder er blevet anvendt.

Præstationen ligger helt på grænsen til moderne undersøgelser af subbølgelængdeoptik (nemlig optik, der omhandler objekter, hvis skalaer er mindre end bølgelængden for den indfaldende stråling). Disse fænomener har anvendelser, herunder medicin (diagnose og behandling af sygdomme, herunder kræft; målrettet lægemiddellevering og andre), biologi (forskellige sensorer og markører), telekommunikation (nanoantenner) og systemer til informationsregistrering og -lagring og andre sfærer. Det kan også bruges til oprettelse af revolutionerende nye optiske computere, hvor information ikke overføres ved hjælp af elektriske impulser, men med lette pakker.

Videnskabsmanden siger, "I et bredt perspektiv, vores projekt kan starte skabelsen af ​​et nyt landskab til design og fremstilling af superminiatyr nanodeenheder og metamaterialer-nemlig materialer, der er kunstigt dannet og struktureret på en særlig måde for at besidde usædvanlige elektromagnetiske egenskaber. "