Международная исследовательская команда нашла способ сделать нелинейное преобразование частоты электромагнитных волн на наномасштабе эффективнее в 100 раз. Новый метод позволяет надежно «запереть» электромагнитную энергию внутри наночастицы. Полученные результаты можно использовать в дальнейших исследованиях нелинейной оптики, в частности, для создания миниатюрных преобразователей света. Статья опубликована в Physical Review Letters и попала на обложку журнала.

Сегодня одна из ключевых задач нелинейной физики – преобразование частоты электромагнитного излучения на наномасштабе. Частота — это основная характеристика излучения, она определяет, к какому диапазону излучение относится: терагерцовому, инфракрасному, видимому и так далее. Это уже могут делать эффективные макроскопические устройства, но воспроизвести их работу в масштабах наномира непросто. Дело в том, что из-за малых размеров наночастицы специфически взаимодействуют со светом. Поэтому, чтобы сделать преобразование частоты света на наномасштабе эффективнее, нужно снизить потери энергии в ходе трех ключевых процессов в наночастице: ввода излучения, удержания и нелинейного преобразования.

Для решения этих задач международная команда физиков из Университета ИТМО, Нелинейного оптического центра Австралийского национального университета и Университета Брешии (Италия) предложила использовать новый тип резонаторов. Это диэлектрические наночастицы в форме диска, которые поддерживают локализованные состояния в континууме. Такие состояния возникают, когда несколько видов колебаний электромагнитной энергии в частице взаимно подавляют излучение друг друга. За счет этого энергия света оказывается локализована внутри частицы.

Теоретически, таким образом энергию можно запереть навсегда, но для этого нужны структуры бесконечного размера, которых не существует на практике. Однако удержать свет на продолжительное, но конечное время можно и в одиночной наночастице. Для этого нужно найти оптимальное соотношение формы, размеров и материала.

«Мы описали такие одиночные диэлектрические нанорезонаторы в своей прошлой работе, но не проанализировали возможность их практического применения, — рассказывает Кирилл Кошелев из Университета ИТМО. — Теперь мы рассчитали темп генерации излучения на удвоенной частоте в таком резонаторе и убедились, что с его помощью можно в сто раз повысить эффективность процесса. Правда, все оказалось не так просто: нам пришлось искать оптимальный способ ввода энергии в резонатор. Мы выяснили, что в нашем случае нужно закрутить падающую волну и изменить ее поляризацию так, чтобы она колебалась по касательной к кругу, в соответствии со структурой электромагнитного поля внутри частицы».

В итоге ученые смогли с рекордной эффективностью удвоить частоту света диэлектрическими наночастицами. Вместо сотой доли процента в ходе преобразования сохраняется несколько процентов энергии света. Такие значения потенциально позволяют определить преобразованное излучение, а значит, предложенную систему можно использовать и на практике.

«Мы предложили способ создания нано-преобразователей света, которые можно будет использовать, например, для создания очков ночного зрения, которые будут переводить инфракрасное излучение в видимый свет, — добавляет руководитель коллектива Юрий Кившарь из Университета ИТМО и Австралийского национального университета. — При этом выбранный нами диэлектрический материал, арсенид алюминия-галлия, имеет отработанную технологию производства и доступен для различных лабораторий. Это должно способствовать развитию дальнейших исследований в области нелинейной нанофотоники, а также расширению сферы применений нелинейных нано-преобразователей излучения».