Всему свое время и место. Эта поговорка вполне применима и к определенным веществам, элементам и химическим соединениям. Как бы ученым ни хотелось иметь в своем распоряжении «универсального солдата», которого можно было бы использовать и в оптике, и в акустике, и биоинженерии, многие материалы так же хороши в одной отрасли, как плохи в другой. Подобное касается и металлов, которые уже давно считают ужасным материалом для работы в области фотоники, акцентирующей свое внимание на оптических сигналах.

Металлы в фотонике это, одним словом, потери, т.е. очень сильное рассеяние электрической энергии. Однако ученые из Оттавского университета (США) решили показать, что металлы не такие уж и бесполезные в фотонике, создав массив из металлических наночастиц, показавший высокую добротность.

Какие вещества использовались для создания массива, как он работает, какие конкретно показывает результаты, и как его можно применить на практике? Об этом нам поведает доклад ученых.

Основа исследования

Интерес ученых к металлам в фотонике объясняется рядом уникальных свойств и характеристик. К примеру, использование таких наноматериалов позволяет ограничивать свет до субволновых масштабов и увеличивать локальное поле. Металлы также обладают собственными нелинейными оптическими постоянными, которые намного больше, чем у диэлектрических материалов.

Когда идет речь про субволновой масштаб, отдельные наноструктуры демонстрируют локализованные поверхностные плазмонные резонансы (LSPR от localized surface plasmon resonances), когда электромагнитные поля взаимодействуют с плазмой свободных электронов проводника на интерфейсе металл-диэлектрик.

В зависимости от своей формы отдельная наночастица может быть поляризована падающим световым лучом, действуя как дипольная антенна и задерживая свет на короткий период времени. Кроме того, в отличие от других фотонных резонансных устройств, резонирующие диполи на метаповерхности могут быть легко доступны для луча, распространяющегося в свободном пространстве.

Другими словами, подобный плазмонный метаповерхностный резонатор способен предоставить ряд крайне важных и полезных функций и особенностей: нелинейные оптические эффекты без фазового синхронизма, сильно локализованное усиление поля, многомодовый режим и пространственно локализованный оптический отклик.

Проблема в том, что подобный чудо-материал хорош на бумаге, когда на практике возникает ряд проблем. Одной из самых часто упоминаемых является низкий Q-фактор, т.е. показатель добротности метаповерхностей на основе LSPR, что вызвано омическими потерями, присутствующими в металлах на оптических частотах.

Добротность — параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии. Данный показатель крайне важен, особенно учитывая, что он связан со временем взаимодействия света и вещества, а также с усилением электрического поля. Если добротность метаповерхности остается на низком уровне, то все ее теоретические преимущества так и останутся теоретическими.

В рамках поисков решения этой проблемы возникла идея связанных между собой нанорезонаторов, генерирующих общий оптический отклик. При этом плазмонные метаповерхности, усеянные большим числом наноструктур, могут поддерживать подобные коллективные резонансы, называемые резонансами поверхностной решетки (SLR от surface lattice resonances).

В такой структуре отдельные отклики от поверхностных плазмонов массива отдельных наноструктур образуют коллективный отклик, который сочетается с порядками дифракции в плоскости периодической матрицы. Результатом этого является высокая добротность системы.

Однако на практике в метаповерхности на основе SLR пока что удавалось достичь добротности Q = 430. Хотя в теории этот показатель может достигать 103 за счет правильного проектирования размеров отдельных наноструктур и периода решетки. Такая дикая разница между теорией и практикой объясняется множеством факторов: плохая пространственная когерентность световых лучей, небольшие размеры матрицы, брак в ходе изготовления и необходимость использовать адгезионный слой.

Именно эта разительная разница между тем, что обещает теория, и тем, что получается на практике, и стала основной причиной проведения данного исследования, как заявляют сами его авторы. Они решили выяснить, какие факторы сильнее других влияют на наблюдаемую добротность метаповерхности на основе SLR: геометрия наноструктуры, размер массива или пространственная когерентность источника света. Данный анализ позволил создать метаповерхность с невероятно высоким показателем добротности.