Для создания точных сенсоров, нелинейных оптических приборов или устройств хранения информации, необходимо научиться эффективно управлять электромагнитным полем: концентрировать его, менять направление колебаний или поляризацию волн. Регулируя возбуждаемые токи внутри объекта, можно контролировать взаимодействие дипольных откликов электромагнитного излучения и менять реакцию объекта на внешнее воздействие. Например, объект можно сделать невидимым. Для этого в одной структуре нужно совместить два вида диполей: обычный электрический и более сложный тороидальный диполь.

До сих пор исследователи экспериментально регистрировали либо очень слабый тороидальный диполь, либо он существовал только в очень узком диапазоне частот, что затрудняло его применение. Кроме того, экспериментальные структуры создавали на основе металлов, а это приводило к большим энергетическим потерям. Эти трудности удалось преодолеть ученым из Университета ИТМО совместно с коллегами из Ирана и Австралии. Они впервые разработали и создали метарешетку из диэлектрического материала с тороидальным дипольным откликом, доминирующим в широком диапазоне частот.

«Мы создали периодическую структуру и провели с ней ряд экспериментов, чтобы убедиться, что в структуре силен тороидальный диполь. В ходе изучения спектра и распределения электромагнитного поля, нам удалось зарегистрировать характерные для тороидального диполя черты. Поле имело высокую концентрацию и сильную продольную компоненту. Сильная продольная компонента подразумевает, что колебания электромагнитного поля структуры по направлению совпадают с его распространением. Это может пригодиться, например, для создания чувствительных сенсоров отдельных молекул или для реализации нелинейных эффектов в оптике», ‒ рассказывает Андрей Саянский, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО.

Для создания метарешетки ученые использовали диэлектрические материалы с небольшим коэффициентом преломления, хотя обычно для таких целей выбирают диэлектрики с высокими значениями коэффициента. Результаты этого исследования показали, что более доступные «средние» диэлектрики также можно использовать, чтобы избежать потерь энергии. Ученые надеются, что применение более доступных материалов будет способствовать активному изучению и применению подобных структур. Еще одна особенность работы в том, что в полученной метарешетке тороидальный отклик можно возбуждать волной любой поляризации. Это поможет расширить сферу применения материалов и устройств на основе метарешетки.

«Мы не разработали неизлучающий материал, но создали рабочую основу для него, которая подойдет и для массы других применений. Показанный нами принцип управления тороидальным диполем может послужить для создания сенсоров, нелинейного управления светом и передачи или хранения информации», ‒ отмечает Андрей Мирошниченко, профессор университета Нового Южного Уэльса в Австралии.

Работа поддержана грантом РНФ №17-19-01731 и проектом Австралийского исследовательского центра №DP170103778.

Ссылка: All‐Dielectric Metalattice with Enhanced Toroidal Dipole Response. A. Sayanskiy, M. Danaeifar, P. Kapitanova, A. E. Miroshnichenko. Advanced Optical Materials, 13^th July, 2018.