Создан нанометровый резонатор с рекордным задержанием световой волны в 200 периодов ее колебаний

Как стало известно, группа Российских физиков разработала инновационный наноразмерный резонатор, который способен захватывать и удерживать световые волны в течение такого времени, которое эквивалентно более 200 периодам их колебаний. Размер резонатора составляет лишь несколько сотен нанометров. На базе этого открытия ученые создали устройство, которое позволяет увеличить частоту входного света вдвое. В будущем подобные нанорезонаторы могут стать основой для создания инновационных оптических технологий, таких как системы связи, приборы ночного видения и миниатюрные сенсоры. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Science. Электрооптические системы позволяют осуществлять передачу данных на значительные расстояния, а также считывать и записывать информацию. Для эффективного управления светом необходимо обеспечить его удержание в ограниченном пространстве в течение продолжительного времени. Однако, по мере уменьшения размеров резонатора, задача удержания световой волны усложняется.

Схема устройства, генерирующего вторую гармонику. Красным обозначена входная волна, синим — выходная (с удвоенной частотой). Kirill Koshelev et al. / Science

До сих пор добиться приемлемого времени удержания света на практике удавалось лишь для резонатора, размерами превышающего длину электромагнитной волны. Попытки ученых создать нанометровый резонатор пока что не были очень успешными — созданные нанорезонаторы обладают малой добротностью и плохо удерживают свет.

В 2017 году команда физиков из России и Австралии предсказала новый тип диэлектрических резонаторов с очень высокой добротностью. Ее удалось достичь за счет реализации режима связанных состояний в континууме. Это явление, открытое в 1929 году в квантовой механике, применимо к разным типам волн (электромагнитным, акустическим или волнам на воде).

Группе физиков из Нового физтеха Университета ИТМО, Австралийского Национального Университета и Университета Корё под руководством Кирилла Кошелева (Kirill Koshelev) удалось создать предсказанный два года назад резонатор. Ученые добились времени захвата света на порядок выше, чем в предыдущих работах.

«Из арсенида галлия были изготовлены цилиндры высотой около 700 нм с различными диаметрами, близкими к 900 нм. Их практически не увидеть невооруженным взглядом. Как показал эксперимент, эталонная частица захватила свет на время, превышающее в 200 раз период одного колебания световой волны. Обычно для частицы таких размеров этот показатель не превышает 5 — 10 периодов световых колебаний. А здесь 200!», — говорит Кирилл Кошелев.

Интенсивные импульсы света, взаимодействующие с диэлектриком, могут стать причиной оптически нелинейного отклика среды, в результате чего частота выходной электромагнитной волны может быть увеличена в несколько раз (следовательно, цвет света, прошедшего через такую среду изменится в сторону фиолетового). Проблема в том, что этот процесс довольно слаб и происходит на расстояниях порядка тысячи длин волн.

На основе такого цилиндра — в нем возникает описанная выше нелинейность — физикам удалось обойти эти проблемы и создать устройство для увеличения частоты луча в два раза. Например, инфракрасный свет, проходя через такое устройство, попадает в видимый диапазон. Гипотетически, если нанести слой таких резонаторов на поверхность стекла, получится простой в использовании прибор ночного видения.

Разработанный учеными резонатор может быть сделан не только из арсенида, другие полупроводники тоже подойдут. Да и размеры цилиндра можно масштабировать сохраняя пропорции. Резонаторы станут основой для различных сенсоров, компактных оптических датчиков, средств передачи данных и приборов ночного видения.

Оптические резонаторы используют и для изучения других физических объектов. Не так давно, например, оптический резонатор выявил квантовые движения в жидкости.

Автор: Олег Макаров
Источник: https://nplus1.ru/