Группа физиков из Университетов ИТМО, СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и Австралийского национального университета создала сверхрезонатор в микроволновом диапазоне. Разработка позволит производить высокоэффективные компактные элементы для микроволновой техники и оптических компьютеров. Работа ученых опубликована в Advanced Materials.

Большинство современных бытовых приборов работают по принципу управления различными волнами — радио-, акустическими, оптическими. С их помощью мы нагреваем объекты, записываем и передаем информацию. Важным элементом в таких системах являются резонаторы — устройства, которые «ловят» падающую волну и многократно усиливают ее интенсивность. От свойств резонаторов зависит качество работы техники, призванной управлять светом, звуком или микроволновыми колебаниями.

Хороший резонатор, способный эффективно захватывать и удерживать электромагнитное излучение, обычно имеет большие размеры (по сравнению с длиной волны колебаний), но в то же время к большинству современных устройств предъявляют требования компактности. Физики Университета ИТМО, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» и Австралийского национального университета (группа проф. Юрия Кившаря) нашли решение этого противоречия, создав субволновой резонатор, с размерами много меньше длины волны, способный максимально эффективно концентрировать электромагнитную энергию.

«Одна из основных характеристик резонатора — это его добротность, то есть способность накапливать падающую электромагнитную энергию, — рассказывает сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО, доцент СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Михаил Одит. — Обычно добротность резонатора очень быстро затухает с уменьшением его размеров. Поэтому важной задачей становится создание компактного и в то же время высокодобротного резонатора. Для решения этой задачи мы решили прибегнуть к использованию так называемых связанных состояний в континууме, известных из квантовой механики».

Это явление заключается во взаимодействии излучений двух связанных резонансов, существующих в одной системе. Оно может приводить как к усилению, так и к полному подавлению излучения резонатора.

«В нашей работе было показано, что мы можем обеспечить такую геометрию резонатора, при которой излучаемые им колебания в дальней зоне подавляют друг друга, — добавляет исследователь. — Это происходит, когда резонатор формирует два типа колебаний, имеющих схожую форму полей и возникающих на одной частоте. Если колебания взаимно вычитаются, то резонатор перестает излучать энергию, что фактически означает значительное повышение его эффективности. При этом само устройство остается компактным».

Чтобы наблюдать описанный эффект, необходимо правильно выбрать форму, размер и материал резонатора. Исследователи остановились на устройстве цилиндрической формы из микроволной керамики с большой диэлектрической проницаемостью. Но чтобы с необходимой точностью подобрать размер нужного цилиндра, пришлось бы изготовить десятки резонаторов разных размеров. Поэтому была предложена идея сделать небольшой набор из цилиндров, высота которых менялась бы в два раза по отношению к предыдущему. Таким образом, высота самого маленького цилиндра составила всего четверть миллиметра, а самого крупного — 15 мм. Комбинируя набор из этих резонаторов, можно было собрать конечный образец нужной высоты, сохраняя точность подбора высоты всего ¼ мм.

«Нам был необходим резонатор с большой диэлектрической проницаемостью, — рассказывает аспирант Университета ИТМО Сергей Гладышев. — Это важно для наилучшей локализации электромагнитной энергии в устройстве. Это помогло в эксперименте увидеть четкий резонанс даже при наличии паразитных шумов. Микроволновая керамика с низкими потерями подходила для этого лучшим образом. Её свойства сохранялись даже для цилиндров с толщиной меньше миллиметра».

В результате ученым удалось найти оптимальные размеры цилиндра и экспериментально наблюдать суперрезонансные состояния. При этом было показано, что уже 5%-ное изменение высоты резонатора приводило к стократному увеличению его добротности. По сути, авторам исследования удалось добиться максимально высокой добротности резонатора для данного материала. Сделать его более эффективным можно только предложив еще более совершенный диэлектрик с меньшим уровнем поглощения.