Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Великобритании и российских вузов экспериментально подтвердили ранее предсказанный эффект «фотонного крючка» (photonic hook) — это новый тип искривленного самоускоряющегося светового луча, по форме напоминающий крючок.

Простота получения и физические свойства делают его перспективным для применения в микроскопах со сверхразрешением, для создания биосенсоров и в биологических исследованиях, где требуется «управление» молекулами. Результаты экспериментов представлены в журнале Applied Physics Letters (IF: 3, 495; Q1).

До обнаружения «фотонного крючка» науке был известен лишь один тип искривленных лучей — пучки Эйри и их производные. Их впервые получили в 2007 году в Университете Флориды. Однако, для их получения используется достаточно трудоемкий метод и сложное оборудование. В то время как получить фотонный крючок оказалось несравнимо проще.

«В 2018 году наш авторский коллектив теоретически предсказал существование фотонных крючков, а затем подтвердил этот эффект и для плазмонов. Теперь же нам удалось на практике зафиксировать этот искривленный луч с помощью сканирующей системы, где в качестве регистрирующего используется сапфировый волновод, разработанный нашими московскими коллегами. Эксперименты были проведены в лаборатории субмиллиметровой спектроскопии Института общей физики РАН», — говорит руководитель проекта, доктор технических наук, старший научный сотрудник отделения электронной инженерии ТПУ Игорь Минин.

Чтобы получить «фотонный крючок» ученые использовали микроразмерные частицы диэлектрика — тефлона. Частицы имели необычную форму куба с пристыкованной к нему призмой. Эксперименты проводились в терагерцовом излучении. Оно проходило сквозь частицы и, изменяясь, на выходе принимало искривленную форму крючка.

«Для получения “фотонного крючка” собственно нужны только источник излучения и микрочастицы диэлектрика — это может быть не только тефлон — подходящей формы, — говорит Игорь Минин. — Такая простота получения расширяет возможности для практического применения искривленных лучей».

В дальнейшем исследователи будут работать в области практического применения фотонных крючков.

«”Фотонный крючок” обладает наименьшей кривизной из всех когда-либо наблюдавшихся искривленных пучков, она меньше используемой длины волны. Это новые горизонты для оптики со сверхразрешением. Но мы намерены больше сконцентрироваться на биологическом применении крючков», — добавляет Игорь Минин.

За счет своих физических свойств крючок может захватывать молекулы и перемещать их. Этот эффект может быть полезен, например, для отделения одних молекул от других, для поиска нужных молекул в биологических исследованиях.

Добавим, исследование ведется в сотрудничестве с учеными из Томского государственного университета, Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Бангорского университета (Великобритания) и Университета Центральной Флориды (США).