Ученые предложили модель мультипольных решеток, которые могут лечь в основу более эффективных метаповерхностей
Ученые Нового физтеха ИТМО предсказали уникальный тип связанных состояний в континууме, который полностью устойчив к изменениям параметров системы — это позволяет контролировать резонансные свойства метаповерхностей, а в перспективе может помочь создавать более эффективные оптические и оптоэлектронные устройства нового поколения.
Резонатор — это один из наиболее распространенных и важных элементов практически любых оптических и оптоэлектронных устройств. Принцип его действия основан на явлении резонанса: подобно тому, как музыкальные инструменты усиливают звуковые волны, оптические резонаторы усиливают световые. Но чтобы создавать оптические устройства, необходимо разрабатывать такие резонаторы, которые можно реализовать с помощью планарной технологии ― так они затем могут стать частью, например, интегральной оптической микросхемы.
В последние годы одним из наиболее перспективных кандидатов на роль планарных резонаторов считаются диэлектрические метаповерхности — двумерный аналог метаматериалов. Метаповерхности представляют собой периодические массивы очень маленьких резонаторов — метаатомов, и могут поддерживать особый тип оптических резонансов — связанные состояния в континууме (ССК), когда излучение полностью «заперто» внутри метаповерхности.
Развитием этого перспективного направления активно занимается научная группа Андрея Богданова на Новом физтехе ИТМО. Связанные состояния в континууме чрезвычайно чувствительны к изменению параметров метаповерхности: например периоду и толщине структуры. Поэтому создавать метаповерхности, у которых резонансные свойства будут проявляться на нужных частотах и углах падения, крайне сложно. И это также серьезная проблема для практического использования связанных состояний в континууме.
«В опубликованной работе нами была разработана теоретическая модель для описания связанных состояний в континууме в мультипольных решетках ― периодических массивах резонансных мультиполей. Мультипольные решетки являются хорошим приближением для описания диэлектрических и плазмонных метаповерхностей, так как такие системы обладают сильным оптическим откликом, связанным с резонансами Ми. В окрестностях этих резонансов обычно доминирует только один мультиполь, что позволяет значительно упростить описание сложной системы», — рассказывает аспирант Нового физтеха Сергей Гладышев.
Ученым удалось разработать такую модель мультипольной решетки, в которой связанные состояния в континууме сохраняются даже при произвольной геометрии и, соответственно, при её изменении или деформации. Но работает это только в том случае, если система является субволновой, то есть период самой решетки меньше, чем длина волны облучающего её света.
Работа выполнена при поддержке фонда РНФ и программы «Приоритет-2030». Статья: Sergei Gladyshev, Artem Shalev, Kristina Frizyuk, Konstantin Ladutenko, and Andrey Bogdanov, Bound states in the continuum in multipolar lattices. Phys. Rev. B, vol. 105, no. 24, 2022, p. L241301.
Фото: сайт ИТМО