Сотрудники Сибирского федерального университета и Института физики имени Л. В. Киренского КНЦ СО РАН впервые исследовали и экспериментально подтвердили существование связанных состояний в континууме в одномерной слоистой фотонной структуре. Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.

Оптоэлектронные устройства могут генерировать, передавать и обрабатывать световые сигналы. Среди таких устройств — лазеры, волноводы, сенсоры и светофильтры. Их эффективность определяется добротностью. Добротность показывает, во сколько раз энергии в системе запасено больше, чем ее теряется за один цикл колебаний. Концепция связанных состояний в континууме позволяет создавать устройства с изменяемой добротностью. Ее величина при этом ограничивается только неустранимыми потерями в материалах системы.

Связанное состояние в континууме (ССК) представляет собой состояние волны, в котором она имеет достаточно энергии для выхода из системы, однако не может сделать этого из-за интерференции. Такая система обладает бесконечной добротностью из-за того, что волна не выходит из нее, а значит, энергия на ее генерацию не теряется. Впервые ССК было описано для электрона в атоме в 1929 году. Тогда исследователи придумали особый вид атомного потенциала, не встречающийся в природе. Из-за наличия такого потенциала электрон при движении формирует большое количество волн, которые интерферируют друг с другом. При этом волны мешают друг другу выйти, и электрон оказывается привязан к атому, хотя его энергии достаточно для отрыва от него.

ССК оставалось малоизученным, пока в 1985 году физики не показали, что для их создания не нужен сложный потенциал, для наблюдения ССК нужна интерференция всего двух волн. После этой работы ССК были обнаружены экспериментально во многих физических системах. Однако существует также теорема, согласно которой ССК не может существовать в одномерных системах.

Теперь российские физики смогли показать возможность теоретического существования ССК в одномерной слоистой структуре. Чтобы сделать это, авторы ввели вместо второй пространственной размерности новую степень свободы — магнитное поле.

Исследователи рассмотрели всего три слоя. При этом в центральном направление магнитного поля повернуто относительно крайних. При падении электронной волны на центральный слой она разделяется на две части, которые при определенных параметрах системы могут интерферировать при выходе из слоя и оставаться внутри него.

Но создать такую систему на практике оказалось непросто. Чтобы облегчить задачу, ученые решили использовать световые волны вместо электронных. Для этого авторы создали аналогичную систему, состоящую из трех частей: два фотонных кристалла, между которыми заключен слой жидкого кристалла. В такой системе авторы показали, что световая волна, которая падает на жидкокристаллический слой, расщепляется на две волны, которые могут деструктивно интерферировать при выходе из этого слоя, если оптическая ось ориентирована правильно. Задача оказывается аналогичной описанной для электронных волн, а роль магнитного поля в такой системе выполняет повернутая оптическая ось.