Фізики виявили, як анізотропія та анапольний стан впливають на фактор Парселла в кремнієвих метаповерхнях.

Результати опубліковані у журналі Laser and Photonics Reviews. Метаматеріал — штучно створена структура, що складається з великої кількості елементів — мета-атомів. Розташування мета-атомів строго визначене і визначає фізичні властивості системи. Оскільки вона має штучне походження, то виявляються фізичні властивості, не характерні для природних матеріалів.

Наприклад, метаматеріали можуть мати від'ємний показник заломлення, від'ємну діелектричну або магнітну проникаючість, ефект суперлінзування (здатність спеціальних оптичних систем формувати зображення з точністю, яка перевищує дифракційний межа), невидимість і так далі. Їх застосування досить широкі та затребувані в різних сферах, наприклад, медицині, фотоніці, квантових технологіях і навіть будівництві.

У своїй новій роботі фізики змоделювали метаповерхню, в якій можлива одночасна реалізація біанізотропії та анапольного стану. У матеріалі, що має властивість біанізотропії, електрична та магнітна поляризованість пов'язані та впливають одна на одну. З іншого боку, анапольне стан характеризується повним гасінням розсіювання мета-атомом, проте електричне поле всередині та в безпосередній близькості від частинки в цьому випадку сильно зростає.

Вчені показали, що якщо метаповерхня проявляє вказані властивості на одній і тій же довжині хвилі, спостерігається значне посилення ефекту Парселла. Суть його полягає в зміні швидкості спонтанного випромінювання точкового джерела світла, розташованого в порожнині резонатора.

«Метаповерхні, що працюють на інших ефектах для досягнення високих значень фактора Парселла, існують. Наприклад, анапольні, які концентрують електричну енергію та збільшують електричний фактор Парселла. Однак нам вперше вдалося досягти таких високих значень, причому як для електричних, так і для магнітних ефектів», — розповів Олександр Шалін, головний науковий співробітник лабораторії контрольованих оптичних наноструктур МФТІ.

Запропонована структура складалася з мета-атомів у вигляді кремнієвих нанодисків з частковою прямокутною щілиною. З них формувалася безкінечна двовимірна структура з кроком у 425 нм. Така метаповерхня дозволяє одночасно реалізувати біанізотропію та анапольне стан на одній і тій же довжині хвилі. В анапольному стані електричне поле концентрується в мета-атоме та його щілині. Біанізотропія дозволяє «перекачувати» частину енергії в магнітну компоненту поля всередині частинки за рахунок електромагнітної зв'язку поляризованостей. Завдяки цьому описана система має високу концентрацію як електричних, так і магнітних полів всередині щілини резонатора.

«Основна складність полягала в реалізації на одній частоті двох різних ефектів, налаштуванні їх правильного взаємодії. Нам це вдалося зробити вперше у світі, хоча, звичайно, основний результат — це зростання електричного та магнітного факторів Парселла», — поділився Олександр Шалін.

Результати моделювання оптичного відгуку показали, що описана метаповерхня має одночасно біанізотропію та анапольні стан в діапазоні довжин хвиль 750-805 нм. Вчені розрахували, що такий метаматеріал має високий електричний фактор Парселла (приблизно 450) і магнітний фактор Парселла, що дорівнює приблизно 1000.

Використання одночасно двох зазначених явищ у кремнієвих метаповерхнях значно розширює можливості контролю випромінювання квантових джерел. Нові властивості відкривають шлях до створення оптичних пристроїв наступного покоління для квантових комп'ютерів, оптоінформаційних ланцюгів і цілого ряду різних нанофотонних застосувань.

«Ми хотіли б реалізувати нашу метаповерхню експериментально, все перевірити, а далі розглядати вже конкретні застосування подібних мета-атомів і структур у прикладних задачах», — розповів Олександр Шалін.

Дослідження частково підтримано грантом Російського наукового фонду.