Российские ученые описали оптические свойства наночастиц в виде усеченных конусов, на основе которых можно создавать высокоточные детекторы, нанолазеры и сенсоры. Более того, использование наноконусов позволит упростить настройку оптических приборов и материалов, в том числе способных поглощать или полностью пропускать свет.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.

Нанофотоника — довольно молодая область физики, которая изучает способность нанометровых структур — размером в миллиард раз меньше метра — испускать, поглощать и преобразовывать свет. Наиболее интересны для специалистов в этой области диэлектрические наночастицы, поскольку они обладают особыми электрическими и магнитными свойствами, благодаря которым направлением и интенсивностью их излучения можно управлять. На основе диэлектрических наночастиц, например кремниевых и керамических, уже существуют различные оптические устройства, нашедшие свое применение в медицине и технике: нанолазеры, наноантенны, сенсоры и детекторы, имеющие более высокую эффективность и чувствительность, чем их традиционные аналоги.

Интересно, что управлять свойствами нанофотонных материалов можно за счет возбуждаемых падающим светом мультиполей, от различных комбинаций которых диэлектрические частицы по-разному рассеивают излучение. Например, при разных комбинациях магнитных и электрических мультиполей они могут рассеивать лучи только в направлении распространения света от источника (так называемый эффект Керкера), в противоположном ему (эффект анти-Керкера) или же перпендикулярно, то есть «вбок». Последний вариант позволяет получить на основе диэлектрических частиц абсолютно прозрачные материалы, то есть пропускающие весь свет без значительного отражения и поглощения, или, наоборот, материалы — идеальные поглотители.

Все эти варианты взаимодействия со светом описаны только для частиц простой формы — в виде шара, куба и цилиндра, тогда как интерес исследователей вызывают частицы более сложной геометрии, на основе которых можно создавать материалы с еще более разнообразными оптическими свойствами.

Ученые из Московского физико-технического института (Долгопрудный), Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с зарубежными коллегами описали оптические свойства кремниевых наночастиц, имеющих форму усеченных конусов. Они интересны тем, что при изменении геометрических параметров, например, таких как радиусы оснований или высота наноконусов, меняется их способность рассеивать свет в широких пределах.

С помощью численного моделирования авторы определили геометрические параметры рассеивателей, сочетания мультиполей в которых позволяют достичь для частиц в виде усеченного конуса эффекты Керкера. На основе данных частиц можно будет создавать антенны, контролирующие излучения на наноуровне. Кроме того, ученые впервые доказали, что возможно создать наноконусы, которые вовсе не будут рассеивать свет и к тому же усилят магнитные и электрические поля внутри частицы. Ранее этот эффект, крайне полезный для оптических усилителей, которые используются, например, в системах передачи информации, был известен только для частиц в виде цилиндров и эллипсов. Обратного явления — сверхрассеяния — исследователи смогли достичь, изменяя соотношение высоты частиц и диаметров верхней и нижней поверхностей усеченного конуса.

«Наше исследование поможет упростить и удешевить разработку нанофотонных устройств на их основе — наноантенн для оптических и телекоммуникационных приборов, прозрачных метаповерхностей, используемых в голографии и дополненной реальности, нанолазеров, а также различных сенсоров и детекторов. В дальнейшем мы планируем более подробно исследовать ряд эффектов, которые удалось получить на кремниевых наноконусах», — рассказывает Александр Шалин, участник проекта, поддержанного грантом РНФ, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.