Команда ученых из России, Китая, Австрии и Великобритании открыла новый вид оптических сингулярностей, который раньше считался невозможным, — исключительные связанные состояния в континууме. Исследование открывает возможности для создания новых сверхчувствительных датчиков, которые смогут точнее детектировать вирусы и белки, а также энергоэффективных оптических транзисторов, модуляторов и переключателей. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Медицина, лазерные технологии и даже астрономия — развитие этих и многих других современных областей невозможно без оптических резонаторов. Например, резонаторы выступают ключевым компонентом лазеров, где обеспечивают усиление света и формирование узкого направленного пучка. Они также используются в интерферометрах (например, LIGO) для обнаружения гравитационных волн, а в медицине служат основой для высокоточных сенсоров, с помощью которых детектируют вирусы и маркеры различных заболеваний.
Оптические резонаторы — яркий пример открытой (неэрмитовой) системы. Это системы, которые могут обмениваться энергией с окружающей средой. В отличие от закрытых или замкнутых систем, где энергия полностью изолирована в некотором объеме, открытые системы взаимодействуют с внешним миром, что приводит к удивительным эффектам и особенностям их поведения.
Одним из таких явлений в открытых системах считаются исключительные точки. Это особые состояния, которые возникают, когда два резонанса системы сливаются, то есть их частоты и времена жизни становятся одинаковыми. Это можно представить как наложение двух теней, когда одна полностью перекрывает другую. Отличительное свойство исключительной точки — ее сверхчувствительность к изменению внешних параметров. Эту особенность уже применяют в оптических и квантовых сенсорах для обнаружения малейших возмущений в окружающем пространстве, а также в квантовых вычислениях.
Но у исключительных точек есть и недостатки. Один из них ― их радиационные потери. На первый взгляд, таких потерь нельзя избежать, так как система открыта и часть энергии в виде излучения всегда уходит во внешнюю среду. Это сильно ограничивает применение исключительных точек на практике.
Чтобы решить проблему с потерями и расширить возможности применения исключительных точек, международная команда ученых из России, Китая, Австрии и Великобритании придумала объединить в одну исключительную точку два связанных состояния в континууме. Это особенные состояния, которые не излучают энергию, несмотря на то что система, в которой они находятся, открыта. По задумке, использование таких состояний могло бы помочь сформировать что-то вроде «защитного кокона» для исключительной точки, который будет оберегать ее от потерь.
Ученые подтвердили свою идею с помощью численного моделирования и нашли способ, как объединить два связанных состояния в континууме в исключительную точку в диэлектрических метаповерхностях (это структурированные пленки из материала с высоким показателем преломления, их используют для локализации света (концентрация волны в ограниченном пространстве неоднородной среды) и управления его характеристиками).
В итоге ученым удалось получить исключительные связанные состояния в континууме — новый вид сингулярности. В неэрмитовой системе сингулярность относится к особенному состоянию, некоторые характеристики которого расходятся, то есть возникает аномальное поведение. В частности, сингулярность может проявляться, когда два резонанса сливаются в одну точку, это приводит к исключительной точке.
Исключительные связанные состояния в континууме — это новый тип состояний, потому что они объединяют два ключевых явления, которые раньше считались несовместимыми. Они не только гиперчувствительны к внешним возмущениям, как исключительная точка, но и защищены от потерь, как связанные состояния в континууме.
«Раньше ученые думали, что объединить связанные состояния в континууме и создать исключительную точку невозможно, потому что для этого нужно было выполнить одновременно два противоречивых друг другу условия. Первое — чтобы система не теряла энергию, а второе — чтобы потери все же оставались. Это создавало фундаментальное противоречие. Нам удалось его обойти, введя дополнительный канал потерь. На первый взгляд, это тривиальное допущение, но оно кардинально меняет подход к вопросу. Мы учли, что энергия может не только излучаться во внешнее пространство, но и поглощаться самим материалом. Это простое допущение полностью переворачивает картину и позволяет объединить два связанных состояния в континууме в одну исключительную точку. Можно сказать, что эти два удивительных явления фотоники с открытой системой (неэрмитовой), которые активно изучаются последнее десятилетие, наконец-то встретились», — рассказал один из авторов исследования, доцент физического факультета ИТМО Андрей Богданов.
По словам исследователей, предсказанные резонансные состояния открывают совершенно новые возможности для создания высокоточных оптических сенсоров. Например, это открытие можно использовать в диэлектрических метаповерхностях ― в том числе для детектирования вирусов или белков. Благодаря тому, что связанные состояния равномерно распределяются по площади метаповерхности, они могут эффективно взаимодействовать с тончайшими слоями биологических образцов (около 100 нанометров). Это позволяет измерять концентрацию белков или других маркеров оптическими методами с более высокой точностью ― вплоть до детектирования отдельных молекул.
Также исключительные связанные состояния в континууме пригодятся для создания энергоэффективных нелинейных компонентов для интегральной фотоники ― например оптических транзисторов, модуляторов и переключателей.
Сейчас ученые изготавливают образцы для проведения экспериментов по наблюдению исключительных связанных состояний в континууме. Эксперимент планируется проводить с китайскими коллегами из Циндао на базе совместного с ИТМО научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов. Эксперимент поможет проверить теоретические результаты и понаблюдать за слиянием двух связанных состояний в континууме в одну исключительную точку.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО
Источник фото: ru.123rf.com
