Как показали недавние исследования ученых из Германии, коллективные электронные возбуждения в металлах, получившие названия плазмонов, действительно играют важную роль в генерации второй гармоники световой волны при отражении света от металлической поверхности. Хотя поверхностные плазмоны и их взаимодействие с фотонами использовались в практических применениях, до сих пор было не ясно, какую роль они играют в нелинейных оптических процессах. Являются ли они обязательной компонентой или лишь своего рода катализатором? Немецкие ученые нашли способ ответить на этот вопрос.

Ученые наблюдали множество интересных явлений, связанных с взаимодействием света с металлическими пленками. К примеру, наноструктурированные металлические пленки могут локализовать оптические поля в объеме пространства, геометрические размеры которого много меньше длины волны излучения.

Кроме того, наноструктуры могут превратить металл в оптическую антенну, что позволяет направлять фотоны в необходимом направлении, усиливая локальные электромагнитные поля. Известно, что оба этих свойства металлических поверхностей (локализация и усиление электромагнитных полей) обусловлены так называемым поверхностным плазмонным резонансом (резонансом коллективных колебаний свободных электронов у поверхности металла и падающей световой волны). И эти свойства уже были успешно применены в некоторых практических приложениях, в частности, в модификациях приборов для исследования молекул при помощи комбинационного рассеяния, а также для поглощения энергии солнца.

Но, несмотря на эти успехи на практике, в теории влияние поверхностных плазмонов на оптические процессы все еще вызывает массу вопросов, в особенности это касается нелинейных процессов, в которых участвуют два и более фотонов.

Теоретически поверхностные плазмоны могут быть как простым «катализатором» нелинейных оптических процессов (просто увеличивая скорость, с которой происходит взаимодействие), так и принимать непосредственное участие в этих процессах вместе с фотонами или другими плазмонами.

Ответ на относительно старый вопрос о роли плазмонов в нелинейных оптических процессах нашли ученые из Berlin Institute of Technology (Германия). В своем эксперименте (результаты которого были опубликованы в журнале Physical Review Letters ученые показали, что

поверхностные плазмоны не просто изменяют фотонное взаимодействие, а также сами взаимодействуют с другими плазмонами, превращаясь в исходящие фотоны.

Новые знания о нелинейных оптических процессах, полученные учеными в ходе экспериментов, теоретически могут породить множество интересных практических приложений.

Возможно, это позволит повысить эффективность солнечных батарей до 30% или даже 44%. Также понимание взаимодействий между фотонами и плазмонами в будущем может обернуться развитием наноразмерных источников когерентного излучения, необходимых для микроскопии и спектроскопии.

Хотя речь в опубликованной работе идет лишь о генерации второй гармоники при отражении света от металлической поверхности, предложенные учеными эксперименты позволят продолжить исследования всего спектра нелинейных взаимодействий. Дальнейшая работа может дать фундаментальные представления о механизме поверхностно-усиленного рамановского рассеяния. Кроме того, подобные знания позволят в будущем повысить эффективность нелинейных процессов за счет плазмон-плазмонного взаимодействия.