Ученые впервые описали новые особенности оптического отклика диэлектрических наночастиц. Для этого они усовершенствовали метод анализа электромагнитного поля так, чтобы учесть более сложные конфигурации токов смещения внутри объектов. Обнаруженные эффекты помогают лучше понять процессы в наночастицах и подстраивать их поведение для более эффективного управления светом в наноприборах, таких, например, как нанолазеры или сенсоры. Результаты опубликованы в Laser and Photonics Reviews и выбраны в качестве обложки выпуска.

Для управления светом на малых масштабах в последнее время активно используют диэлектрические наночастицы. Они справляются не хуже ранее предложенных плазмонных частиц, но при этом позволяют избежать потерь энергии и получить больше интересных физических эффектов. Диэлектрические частицы перспективны, например, для создания нанолазеров, наноантенн, сенсоров или устройств передачи информации. Чтобы эффективно их применять, ученые стараются как можно лучше изучить их поведение.

Физики из Университета ИТМО впервые описали новые особенности оптического отклика диэлектрических частиц. Им удалось показать, что внутри частицы существуют сложные конфигурации токов смещения, которые приводят к возникновению тороидальных моментов высших порядков. Также физики показали, что сложное взаимодействие токов в частице может переводить ее в особое, неизлучающее или анапольное состояние. Эти результаты помогают лучше понять электромагнитные процессы в наночастицах и научиться подстраивать их оптический отклик для создания более эффективных устройств.

«Представьте, что у вас есть механизм, который вы можете настроить на разные режимы работы при помощи разных шестеренок. Мультиполь – это примерно такая же шестеренка для частицы. Частицы сложной формы, как сложные механизмы, могут выполнять больше разных задач. Но в них и шестеренок становится больше. Из-за нехватки информации об этих шестеренках управлять работой частиц раньше было невозможно. Наши результаты решают эту проблему и обеспечивают значительно больше возможностей для подстройки оптических свойств частиц. Это новый шаг в развитии диэлектрической фотоники, который позволит создавать продвинутые устройства», – объясняет Александр Шалин, руководитель международной научной лаборатории «Нанооптомеханика» Университета ИТМО.

По словам ученых, исследование началось с того, что классических подходов для описания частиц стало не хватать. Поэтому многие ученые занялись поиском новых теоретических моделей, и работа проходила в атмосфере постоянного соревнования. Периодически появлялись новые результаты, которые нужно было учесть, и почти готовую работу приходилось несколько раз пересматривать и дополнять. Однако в итоге статья попала на обложку журнала и удостоилась особого внимания редакции.

«Эта работа стала одним из первых крупных исследований, где основную работу делал я сам. Это касается даже рисунка для статьи, который попал на обложку журнала. Кроме того, работа теоретическая, а их реже выделяют на фоне статей с экспериментальной частью. Так что попасть на обложку для меня – большое достижение. Это помогает привлечь внимание сообщества и дает понять, что мы сделали хорошую работу и заслужили признание. Я рад, что Университет ИТМО дает возможность молодым ученым публиковаться на таком высоком уровне. А слаженный коллектив лаборатории и факультета позволяет эту возможность легко реализовать», – отмечает Егор Гурвиц, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО.

Статья: The High‐Order Toroidal Moments and Anapole States in All‐Dielectric Photonics. Egor A. Gurvitz et al. Laser and Photonics Review. 10th April, 2019.

Анастасия Комарова

Центр научной коммуникации