Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий (НИСТ) показали, что использование исключительных точек при распространении света в периодической структуре с потерями позволяет значительно сократить рассеяние и затухание света.

Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Физики из НИСТ изучали миниатюрную светорассеивающую систему — ультратонкий слой нитрида кремния, расположенный на кремниевом чипе. По всей длине нитрида нанесены близко расположенные периодические бороздки. Эти канавки создают дифракционную решетку — устройство, которое рассеивает свет разных цветов под разными углами, а нитрид кремния направляет входящий свет. Решетка рассеивает большую часть света вверх, перпендикулярно устройству, что должно приводить к экспоненциальному затуханию световой волны.

Исследователи заметили, что в большинстве экспериментов свет ведет себя, «как положено», и стремительно затухает. Однако, если ширина канавок была почти равна расстоянию между ними, при определенной длине волны инфракрасного света, его интенсивность снижалась линейно, а не экспоненциально. При этом незначительные изменения длины волны или расстояния между канавками возвращали систему к экспоненциальному затуханию.

Ученые также заметили, что каждый раз, когда интенсивность потока, распространяемого вдоль решетки, менялась от экспоненциальной к линейной, свет, рассеянный вверх, формировал широкий пучок с одинаковой интенсивностью на всем протяжении.

Источник: S. Kelley/NIST

Команде исследователей НИСТ потребовалось несколько лет, чтобы разработать теорию, которая могла бы объяснить странное явление.

Ученые полагают, что оно обусловлено комплексным взаимодействием между структурой решетки и светом, распространяющимся вперед и вверх. При определенных условиях, в так называемой исключительной точке, совокупность этих факторов резко сокращает потери инфракрасного света.

Как отмечают авторы работы, дальнейшие эксперименты показали, что аналогичные исключительные точки характерны для любого типа волн (например, акустических, рентгеновских, радиоволн), распространяющихся через периодическую структуру с потерями.

Исследователи считают, что найденное ими свойство света поможет передавать лучи света от одного устройства на основе чипа к другому без потери энергии, что пригодится в оптических коммуникациях. А широкий вертикальный луч, созданный в исключительной точке, будет полезен при изучении облака атомов.

Еще одним потенциальным применением является мониторинг окружающей среды. Как объясняют авторы работы, если загрязнитель на поверхности датчика изменит длину волны света в решетке, исключительная точка резко исчезнет, а интенсивность света быстро перейдет от линейного к экспоненциальному спаду.