Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли (США) нашли способ изготовления оптических резонаторов чрезвычайно малого размера.

В простейшем оптическом резонаторе излучение многократно отражается от расположенных друг против друга зеркал, формирующих стоячие волны с определёнными резонансными частотами. Разрабатывая новые устройства этого типа, являющиеся важнейшими компонентами лазера, физики стремятся к тому, чтобы сделать их миниатюрными и повысить добротность (увеличить время удержания излучения).

Несколько очень интересных вариантов конструкции было предложено в начале двухтысячных: отметим, к примеру, сферический и тороидальный диэлектрические микрорезонаторы.

Размеры этих оригинальных резонаторов ограничиваются снизу длиной волны λ. Ограничение имеет физический характер и связано с тем, что показатели преломления, наблюдаемые у природных материалов, также имеют (верхний) предел.

Рис. 1. Схема метаматериала и готовый массив оптических резонаторов. Три резонатора, показанные в правой части рисунка, имеют поперечные размеры в 135, 170, 200 нм и высоту в 100, 150 и 200 нм и состоят из двух, трёх и четырёх пар слоёв германия и серебра. (Иллюстрации из журнала Nature Photonics).

Специально созданные метаматериалы могут предложить намного более высокие показатели преломления, чем и воспользовались авторы работы, подготовив искусственную структуру из перемежающихся слоёв германия и серебра толщиной в 30 и 20 нм.

Из этого многослойного метаматериала «вырезались» резонаторы, которые в идеале должны иметь форму прямоугольных параллелепипедов. У реальных образцов боковые стенки оказывались чуть наклонёнными, что, впрочем, не слишком повлияло на результаты.

Размеры полученных резонаторов доходили до двенадцатой части длины волны. Максимальный оптический показатель преломления при этом был зафиксирован на уровне 17,4, что недостижимо для природных материалов.

Новые наноструктуры обнаружили и другие необычные свойства: скажем, они способны сохранять одну и ту же резонансную частоту при значительном изменении размеров. Кроме того, у них, в отличие от традиционных устройств, моды более высокого порядка имеют меньшие резонансные частоты.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics.