Физики обнаружили, что разные плоские периодические фотонные структуры, или метаповерхности, одинаково реагируют на нарушение симметрии своих ячеек, или метаатомов. Асимметрия метаатомов приводит к появлению высокодобротных резонансов в спектрах пропускания метаповерхности. Такие резонансы способны во множество раз усиливать внешний сигнал. Это означает, что, меняя асимметрию, можно контролировать добротность резонансов и эффективно управлять оптическим откликом метаповерхности, что крайне важно для практического использования. Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.

Добротность фотонных структур — это один из наиболее важных параметров, определяющих эффективность взаимодействия света с веществом. Этот параметр характеризует, насколько эффективно структура может удерживать и накапливать свет. Обычно с уменьшением геометрических размеров образца, в частности толщины, добротность сильно снижается, и такие структуры уже не подходят для многих практических применений.

В своей новой работе команда физиков из Университета ИТМО и Австралийского национального университета проанализировала механизм появления высокодобротных резонансов и выяснила, что это никак не связано с толщиной структуры. На самом деле, возникновение резонансов полностью определяется симметрией метаатома – элементарной ячейки метаповерхности. Таким образом, на основе метаповерхностей с нарушенной симметрией ячеек можно создавать тонкие (с толщиной меньше длины волны света) и в то же время высокоэффективные сенсоры, лазеры и нелинейные источники излучения.

Ученые показали, что природа высокодобротных резонансов в метаповерхностях с нарушенной симметрией элементарной ячейки определяется связанными состояниями континуума. Это безызлучательные состояния, которые возникают, когда несколько резонансов системы накладываются друг на друга и взаимно подавляются за счет деструктивной интерференции.

«Мы изучаем связанные состояния в континууме в течение двух. В какой-то момент мы поняли, что природа высокодобротных резонансов в метаповерхностях кроется в локализованных состояниях континуума. Оказалось, что, вводя асимметрию, мы контролируемо разрушаем связанные состояния континуума, превращая их в высокодобротные резонансы, — комментирует один из авторов работы, сотрудник Университета ИТМО Андрей Богданов. — Мы тщательно и кропотливо проанализировали около десятка систем с нарушенной симметрией, описанных в литературе, и в итоге показали, что в основе описанных ранее эффектов лежат связанные состояния в континууме».

По словам ученых, глубокое понимание оптики асимметричных метаповерхностей приведет к существенному упрощению создания материалов с заданным оптическим откликом. В дальнейших работах исследователи планируют использовать полученные результаты для анализа нелинейных оптических эффектов в похожих метаповерхностях.