Физики сравнили различные материалы, чтобы понять, насколько их можно применять в диэлектрической нанофотонике. Результаты этого систематического исследования позволят эффективнее использовать известные материалы для создания оптических наноантенн. Его результаты представлены в журнале Optica.

Для работы с оптическим излучением существуют антенны, аналогичные тем, что применяются для электромагнитных волн. Длина волны видимого света составляет сотни нанометров, что обуславливает нанометровый размер таких устройств.

Чтобы антенна принимала и излучала сигнал нужным образом, у ее элементов должны быть резонансы. В оптическом диапазоне в течение долгого времени в качестве подобных элементов использовались наночастицы из серебра или золота, для которых характерны плазмонные резонансы. Электромагнитные поля в таких частицах могут быть локализованы на масштабах всего лишь 10 нм и меньше, однако из-за присущих металлам джоулевых потерь большая часть электромагнитной энергии расходуется на нагрев металла.

Альтернативой плазмонным наночастицам можно назвать активно изучаемые в последние пять лет частицы из диэлектриков с высоким показателем преломления в оптическом диапазоне (таких как, например, кремний). При определенном соотношении длины волны и диаметра частицы последняя может поддерживать особые оптические резонансы, называемые резонансами Ми. Благодаря отличиям материальных свойств металлов и диэлектриков потери на нагрев в диэлектрических наноантеннах могут быть значительно меньше, чем в плазмонных аналогах.

Ключевая характеристика материала, которая обуславливает параметры резонанса Ми, — это его показатель преломления. У частиц из материалов с более высоким показателем преломления резонансы Ми добротнее — электромагнитные колебания в таких частицах существует дольше без внешнего возбуждения. Кроме того, диаметр резонансной частицы уменьшается с ростом показателя преломления, что позволяет создавать более миниатюрные оптические устройства. Эти факторы делают высокоиндексные материалы (т. е. обладающие высоким показателем преломления) более выгодными для реализации диэлектрических наноантенн.

Коллектив физиков, среди которых исследователи из МФТИ и Университета ИТМО, провел подробное систематическое исследование доступных высокоиндексных материалов в видимом и инфракрасном диапазонах с точки зрения резонансных характеристик. Среди этих материалов полупроводники и полярные кристаллы, такие как карбид кремния. В качестве наглядного параметра авторы выбрали Q-фактор (добротность) резонанса, который отражает, насколько быстро затухает возбужденный падающим светом резонанс. Теоретический анализ позволил заключить, что на сегодня лучший материал для диэлектрических антенн в видимом диапазоне — кристаллический кремний, в ближнем инфракрасном — германий.

В среднем инфракрасном диапазоне, который крайне интересен для решения таких задач, как радиационное охлаждение (т.е. охлаждение нагретого тела за счет излучения электромагнитной энергии в окружающее пространство) и тепловой камуфляж (обратная задача — уменьшение свечения нагретого тела, которое можно видеть через тепловизор), лавры победителя достались сплаву германия и теллура (GeTe), которая отражает скорость затухания резонанса Ми частицы. Большее значение Q соответствует медленному затуханию и более выраженному резонансному поведению частицы.

Существуют и фундаментальные ограничения на величину Q-фактора. Дело в том, что высокий показатель преломления в полупроводниках связан с межзонными электронными переходами, на которых энергия падающего света неизбежно поглощается. Поглощение же ведет к уменьшению добротности и тому самому нагреву, с которым исследователи пытаются бороться. Таким образом, существует тонкий баланс между высоким показателем преломления и потерями.

Обзор методов показал, что кремний, германий и арсенид галлия исследованы лучше всего. Резонансные наноантенны из этих материалов могут быть произведены множеством способов — от литографии и химических методов до лазерных. Но не для всех материалов существуют технологии производства резонансных наночастиц. Так, ученым еще предстоит научиться создавать наноантенны из теллурида германия, который, согласно теоретическому анализу, обладает самыми привлекательными свойствами в среднем инфракрасном диапазоне.