Когерентная передача энергии разогнанными электронами открыла возможность создания плазмон-поляритонных лазеров

Иллстрация: Dongdong Zhang et al. / Nature, 2022. Китайские физики увидели вынужденное излучение терагерцовых поверхностных плазмон-поляритонов, облучая очень тонкий железный стержень мощным лазером. Это стало возможным благодаря когерентной передаче энергии разогнанными электронами в гибридную моду. В будущем этот эффект ляжет в основу плазмон-поляритонных лазеров. Исследование опубликовано в Nature. Идея квазичастиц оказалась крайне полезной при описании некоторых повторяющихся процессов в системах с большим количеством тел, в первую очередь, в конденсированных средах. Квазичастица объединяет в себе сразу несколько элементарных процессов (в этом случае физики говорят о гибридизации), существенно уменьшая нагрузку на описывающую их теорию. Так, коллективным колебаниям атомов в кристаллах соответствуют фононы, а постоянному поглощению, переизлучению и рассеянию света по мере его распространения в среде — поляритоны.

В сложных структурах, однако, порой требуется дальнейшая гибридизация уже существующих квази- или реальных возбуждений. Примером этого можно назвать поверхностный плазмон-поляритон (ППП) — квазичастицу, возникающую на границе метал-диэлектрик и описывающую перманентный обмен энергии между поляритонной модой в диэлектрике и плазмонной модой в металле. Плазмонами называют квазичастицы, соответствующие колебаниям плотности свободных зарядов — электронов и дырок.

ППП интересны физикам своей способностью концентрировать электромагнитную энергию в очень малом объеме (много меньше длины волны), чего не удается сделать в диэлектрике или пустоте из-за дифракционного предела. Это не только делает возможным субволновую фокусировку света для нужд микроскопии  и литографии, но и существенно усиливает напряженность электрического поля в приповерхностном слое, что открывает новые режимы взаимодействия света и вещества.

Частоты ППП обычно принадлежат оптическому диапазону. Вместе с тем интерес представляют ППП в терагерцовом диапазоне, где у материалов, как правило, расположены резонансы, связанные с колебаниями и вращениями атомов. Другой интерес к терагерцовой области связан с тем, что для оптических ППП характерно сильное рассеяние, приводящее к разрушению какой-либо когерентности. Ученые считают, что увеличение длины волны способно преодолеть это ограничение и в перспективе привести к созданию ППП-лазеров.

Большой шаг в этом направлении сделали Дун Дун Чжан (Dongdong Zhang) и его коллеги из Шанхайского института оптики и точной механики. Они смогли добиться вынужденного излучения терагерцовых ППП за счет когерентной передачи энергии от сопутствующих электронов, разогнанных лазером в металле. В перспективе этот механизм может быть использован для сверхизлучения гибридных квазичастиц, необходимого для создания ППП-лазера.

В своих экспериментах физики фокусировали излучение инфракрасного фемтосекундного лазера на стержень диаметром 50 микрометров и длиной 80 миллиметров. Лазерные фотоны рассеивались на стержне с образованием небольшого количества затравочных ППП и импульса свободных электронов. Эти два возбуждения распространялись совместно, но по мере движения электроны тормозились, передавая свою энергию в моду ППП до своего полного рассеяния.

Основные процессы, приводящие к вынужденному излучению ППП, и их интерпретация через диаграммы Фейнмана: (1) рождение затравочных ППП и свободных электронов, (2) передача энергии от электронов к ППП

Основные процессы, приводящие к вынужденному излучению ППП, и их интерпретация через диаграммы Фейнмана: (1) рождение затравочных ППП и свободных электронов, (2) передача энергии от электронов к ППП. Dongdong Zhang et al. / Nature, 2022

Чтобы количественно оценить этот процесс, физики измеряли магнитное и электрическое поле с помощью двух разных детекторов. Первый представлял собой кристалл тербий-галлиевого граната (Tb3Ga5O12, TGG) толщиной в один миллиметр, который ученые располагали параллельно стержню на расстоянии 500, 750 и 1000 микрометров от него. Этот материал обладает ярко выраженным эффектом Фарадея, то есть наклоном поляризации света под действием магнитного поля. Электрическое поле физики измеряли через 30 миллиметров от точки возбуждения с помощью пластины теллурида цинка, демонстрирующей эффект Поккельса. В обоих случаях от исходного луча накачки они выделяли небольшое количество света для формирования зондирующих лучей, которые проходили через полосу задержки относительно накачки.

Динамика магнитного поля ППП. Штриховые линии обозначают железный стержень.

Динамика магнитного поля ППП. Штриховые линии обозначают железный стержень. Dongdong Zhang et al. / Nature, 2022

Эксперименты показали, что ППП экспоненциально усиливаются электронами в течение примерно четырех с небольшим пикосекунд совместного распространения. На пике электрическое поле ППП достигает 15 мегавольт на метр, а магнитное — 5,11 тесла. Обработка результатов показала, что спектр квазичастиц испытывает сужение и двукратное смещение в красную область. Симуляции методом конечных интегралов подтвердили, что это происходит из-за отстающих электронов, которые удлиняют плазмон-поляритонный волновой пакет.

Симуляция процесса усиления терагерцового ППП. Правый импульс приобретает характерный хвост благодаря замедлившимся электронам.

Симуляция процесса усиления терагерцового ППП. Правый импульс приобретает характерный хвост благодаря замедлившимся электронам. Dongdong Zhang et al. / Nature, 2022

В завершение физики порассуждали о том, как повысить эффективность вынужденного излучения ППП в таком методе, доведя его до сверхизлучения. Для этого они предложили использовать серию электронных импульсов, временной интервал между которыми согласован с частотой ППП. В этом случае ученые ожидают, что механизм усиления будет напоминать принцип работы лазера на свободных электронах, а интенсивность ППП, которую можно достичь таким образом, будет в 100 раз выше, чем то, что физики наблюдали в эксперименте.

Это не первая попытка применить идею лазерной генерации к чему-то помимо света. Мы уже рассказывали, как физики создают активные среды, которое помогут реализовать когерентное усиление для звука и атомного пучка.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/