Fysikere opdager en ny måde at tune resonans på for ikke-lineær optik

Et forskerhold fra ITMO University og Australian National University har opdaget, at forskellige metaoverflader udviser den samme adfærd, forudsat en symmetribrud introduceres til deres enhedscellers "meta-atomer". Asymmetri af meta-atomer resulterer i højkvalitets (høj Q) resonanser i transmittansspektre af metaoverflader. Sådanne resonanser er i stand til multipel forstærkning af eksterne signaler. Ved at manipulere asymmetrien, videnskabsmænd var i stand til at kontrollere resonanserne og dermed en optisk respons, hvilket er yderst ønskeligt til praktiske anvendelser. Resultaterne af denne undersøgelse blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Kvalitetsfaktor (den såkaldte Q-faktor) er en af ​​de vigtigste egenskaber ved et resonantsystem. Det bestemmer effektiviteten af ​​lys-stof-interaktion og forstærkning af eksterne signaler. Det viser, hvor godt strukturen kan fange lys. Når prøven er reduceret i størrelse, især i tykkelsen, dens kvalitetsfaktor er også reduceret betydeligt, gør den uegnet til praktiske anvendelser.

I deres nye forskning, et hold fysikere fra ITMO University og Australian National University, ledet af prof. Yuri Kivshar, har afsløret en ny fysik af høj-Q-resonanser. Forskere fandt ud af, at høj-Q skarpe resonanser er mandligt bestemt af asymmetri af meta-atomer, og de er næsten ikke afhængige af tykkelsen af ​​metasurfaces og typen af ​​materialer, der viser en universel adfærd for alle typer af sådanne metasurfaces. Derfor, metaoverflader med brudt symmetri kan bruges til at skabe tynde (mindre end lysets længde) og yderst effektive sensorer, lasere, og ikke-lineære strålingskilder.

Vigtigere, forskerne beviste, at høj-Q-resonanser i asymmetriske metaoverflader er styret af bundne tilstande i kontinuummet. Sidstnævnte er ikke-strålingstilstande, der opstår, når flere resonanser i et system interagerer i regimet med destruktiv interferens, der undertrykker de strålingstab.

"Vi har studeret bundne tilstande i kontinuummet i to år som en del af et projekt støttet af Russian Science Foundation. På et tidspunkt indså vi, at karakteren af ​​høj-Q-resonanser i metasurfaces er relateret til fysikken i bundne tilstande i kontinuum. Det viser sig, at ved at indføre en asymmetri, vi kan ødelægge bundne tilstande i kontinuummet og konvertere dem til høj-Q-resonanser. Vi analyserede et dusin asymmetriske systemer, findes i forskellige kilder, meget detaljeret og var i stand til at vise, at de tidligere beskrevne effekter var forårsaget af bundne tilstande i kontinuummet, " siger Dr. Andrey Bogdanov, en forsker ved International Research Center for Nanophotonics and Metamaterials ved ITMO University.

"Det vigtigste resultat af vores arbejde er, at vi var i stand til at aggregere og opsummere resultaterne af et stort antal værker fra forskellige områder inden for fotonik og radiofysik, som alle kun har to ting til fælles:strukturen, som er en asymmetrisk metasflade, og arten af ​​observerede fænomener, det med skarpe og smalle resonanser i spektral respons. I ældre værker, dette blev forklaret ved brug af nye termer. Vi, imidlertid, viste, at alle fysiske fænomener kan beskrives via bundne tilstande i kontinuummet, et universelt interferentielt fænomen kendt af kvantefysikere siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede, " bemærker hr. Kirill Koshelev, en medarbejder i International Research Center for Nanophotonics and Metamaterials ved ITMO University.

Ifølge forskerne, en dybere forståelse af optik af bundne tilstande i kontinuum kan hjælpe med at forenkle processen med at skabe materialer med specifik optisk respons. I fremtidig forskning, forskerne planlægger at bruge de opnåede resultater til at analysere ikke-lineære optiske effekter i lignende metaoverflader.