Физики выяснили, как анизотропия и анапольное состояние влияют на фактор Парселла в кремниевых метаповерхностях.

Результаты опубликованы в журнале Laser and Photonics Reviews. Метаматериал представляет собой искусственно созданную структуру, состоящую из множества элементов — мета-атомов. Строгое расположение мета-атомов определяет физические свойства системы. Благодаря своему искусственному происхождению, такие материалы могут демонстрировать физические свойства, которые не встречаются в природных материалах.

Например, метаматериалы способны обладать отрицательным показателем преломления, отрицательной диэлектрической или магнитной проницаемостью, эффектом суперлинзирования (возможность специализированных оптических систем формировать изображения с точностью, превышающей дифракционный предел), эффектом невидимости и многими другими свойствами. Их применение охватывает широкий спектр областей, включая медицину, фотонику, квантовые технологии и даже строительство.

В своей новой работе физики смоделировали метаповерхность, в которой возможно одновременное проявление бианизотропии и анапольного состояния. В материале с бианизотропией электрическая и магнитная поляризуемости взаимосвязаны и оказывают влияние друг на друга. В свою очередь, анапольное состояние характеризуется полным подавлением рассеяния мета-атомом, однако электрическое поле вблизи частицы в этом случае значительно усиливается.

Ученые продемонстрировали, что если метаповерхность проявляет указанные свойства на одной и той же длине волны, наблюдается существенное усиление эффекта Парселла. Этот эффект заключается в изменении скорости спонтанного излучения точечного источника света, расположенного в полости резонатора.

«Существуют метаповерхности, которые работают на других эффектах для достижения высоких значений фактора Парселла. Например, анапольные метаповерхности, которые концентрируют электрическую энергию и увеличивают электрический фактор Парселла. Однако нам впервые удалось добиться столь высоких значений как для электрических, так и для магнитных эффектов», — отметил Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.

Предложенная структура состояла из мета-атомов в форме кремниевых нанодисков с частичной прямоугольной щелью. Из них формировалась бесконечная двумерная структура с шагом в 425 нм. Эта метаповерхность позволяет одновременно реализовать бианизотропию и анапольное состояние на одной и той же длине волны. В анапольном состоянии электрическое поле концентрируется в мета-атоме и его щели. Бианизотропия обеспечивает «перекачку» части энергии в магнитную компоненту поля внутри частицы за счет электромагнитной связи поляризуемостей. Благодаря этому описанная система демонстрирует высокую концентрацию как электрического, так и магнитного полей внутри щели резонатора.

«Основная сложность заключалась в реализации двух различных эффектов на одной частоте и в настройке их правильного взаимодействия. Нам удалось сделать это впервые в мире, хотя, конечно, главной целью является увеличение электрического и магнитного факторов Парселла», — поделился Александр Шалин.

Результаты моделирования оптического отклика показали, что описанная метаповерхность одновременно демонстрирует бианизотропию и анапольные состояния в диапазоне длин волн 750-805 нм. Ученые рассчитали, что такой метаматериал обладает высоким электрическим фактором Парселла (около 450) и магнитным фактором Парселла, равным примерно 1000.

Совместное использование двух указанных явлений в кремниевых метаповерхностях значительно расширяет возможности контроля излучения квантовых источников. Новые свойства открывают путь к созданию оптических устройств следующего поколения для квантовых компьютеров, оптоинформационных цепей и различных нанофотонных приложений.

«Мы хотели бы экспериментально реализовать нашу метаповерхность, проверить все, а затем рассмотреть конкретные применения подобных мета-атомов и структур в прикладных задачах», — рассказал Александр Шалин.

Исследование частично поддержано грантом Российского научного фонда.