Совместная группа ученых из Великобритании, Китая и Германии нашла новый способ связывания света и однонаправленных поверхностных плазмонов- поляритонов с использованием метаповерхностей. Предложенная ими техника может быть полезна для создания сложных плазмоных схем, которыми можно будет управлять при помощи электрического поля.

Поверхностные плазмоны-поляритоны – это квазичастицы, введенные для математического описания квантовых явлений, возникающих в результате взаимодействия света с электронами проводимости в металле.

Плазмоны поляритоны с одной стороны, состоят из света, с другой – из коллективных колебаний электронного газа в металле; при этом они существенно ограничены в пространстве – сосредоточены у поверхности металла. Поверхностные плазмоны-поляритоны переходят в возбужденное состояние при взаимодействии со светом. Но проблема заключается в том, что затем они свободно распространяются в случайном направлении вдоль поверхности металла, причем их движением не так просто управлять. Этот факт ограничивает диапазон возможных практических применений данных структур.

Рис. 1. Изображения метаповерхности, полученное при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

В своей последней работе группа ученых из University of Birmingham (Великобритания) и их коллеги из других научных организаций серьезно продвинули вперед экспериментальные техники, показав, что поверхностные плазмоны-поляритоны могут двигаться вдоль некого выделенного направления на поверхности металла, при условии существования на этой поверхности определенных структур (в их эксперименте – наноразмерных прямоугольных отверстий, ориентированных в пространстве).

Надо отметить, что подобные структуры носят название метаповерхностей. С их помощью, ученые в первый раз показали, что направление, в котором плазмоны поляритоны распространяются вдоль поверхности металла, может быть выбрано за счет правильного выбора направления круговой поляризации падающего света.

Как считают ученые, связано это с тем, что нанообъекты на поверхности металла локально возбуждают плазмоны поляритоны с определенной задержкой фазы (которая, в свою очередь, зависит от ориентации объектов).

При определенной ориентации объектов относительно направления падающего света, ученым удалось создать градиент фазы для света круговой поляризации. Это нарушило симметрию возбуждения поверхностных плазмонов поляритонов, что обеспечило возможность возбуждения квазичастиц только вдоль одного направления (на определенной длине волны).

При этом изменить направление распространения поверхностных плазмонов поляритонов можно было за счет переключения направления круговой поляризации на входе.

Учитывая способность так просто контролировать направление распространения поверхностных плазмонов поляритонов, у исследователей возникла идея расставить на поверхности металла так называемые модуляторы поляризации, построив с их помощью простейшую плазмонную цепь. К счастью, состояние поляризации света может легко контролироваться с помощью оптоэлектронной техники.

В ближайшем будущем команда планирует оптимизировать структуру и улучшить связь поверхностных плазмонов-поляритонов с характеристиками падающего света. Кроме того, у них есть планы включить в метаповерхность устройств на жидких кристаллах, что позволит контролировать электрическое возбуждение квазичастиц.

Таким образом, они надеются разработать более сложные плазмонные схемы с расширенными функциональными возможностями.

Детали проделанной учеными работы опубликованы в журнале Light: Science and Applications.