Физики узнали, как анизотропия и анапольное состояние влияют на фактор Парселла в кремниевой метаповерхности
Коллектив ученых из МФТИ и Индии разработал метаповерхность с уникальными электромагнитными свойствами. Эта структура многократно усиливает эффект Парселла для электрических и магнитных излучателей и открывает новые пути для создания фотонных устройств следующего поколения.
Результаты опубликованы в журнале Laser and Photonics Reviews. Метаматериал — искусственно созданная структура, состоящая из большого числа элементов — мета-атомов. Расположение мета-атомов строго задано и определяет физические свойства системы. Поскольку она имеет искусственное происхождение, то проявляются физические свойства, не характерные для природных материалов.
Например, метаматериалы могут обладать отрицательным показателем преломления, отрицательной диэлектрической или магнитной проницаемостью, эффектом суперлинзирования (способность специальных оптических систем формировать изображения с точностью, превышающим дифракционный предел), невидимости и так далее. Применения их достаточно широки и востребованы в различных областях, например, медицине, фотонике, квантовых технологиях и даже строительстве.
В своей новой работе физики смоделировали метаповерхность, в которой возможна одновременная реализация бианизотропии и анапольного состояния. В материале, обладающем свойством бианизотропии, электрическая и магнитная поляризуемости связаны и влияют друг на друга. С другой стороны, анапольное состояние характеризуется полным погашением рассеяния мета-атомом, однако электрическое поле внутри и в непосредственной близости от частицы в этом случае сильно возрастает.
Ученые показали, что если метаповерхность проявляет указанные свойства на одной и той же длине волны, наблюдается значительное усиление эффекта Парселла. Суть его заключается в изменении скорости спонтанного излучения точечного источника света, расположенного в полости резонатора.
«Метаповерхности, работающие на других эффектах для достижения высоких значений фактора Парселла, существуют. Например, анапольные, которые концентрируют электрическую энергию и увеличивают электрический фактор Парселла. Однако нам впервые удалось достигнуть столь высоких значений, причем как для электрического, так и для магнитного эффектов», — рассказал Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Предлагаемая структура состояла из мета-атомов в виде кремниевых нанодисков с частичной прямоугольной щелью. Из них формировалась бесконечная двумерная структура с шагом в 425 нм. Такая метаповерхность позволяет одновременно реализовать бианизотропию и анапольное состояние на одной и той же длине волны. В анапольном состоянии электрическое поле концентрируется в мета-атоме и его щели. Бианизотропия позволяет «перекачивать» часть энергии в магнитную компоненту поля внутри частицы за счет электромагнитной связи поляризуемостей. Благодаря этому описанная система обладает высокой концентрацией как электрического, так и магнитного полей внутри щели резонатора.
«Основная трудность была в реализации на одной частоте двух разных эффектов, настройке их правильного взаимодействия. Нам это удалось сделать впервые в мире, хотя, конечно, основной результат — это рост электрического и магнитного факторов Парселла», — поделился Александр Шалин.
Результаты моделирования оптического отклика показали, что описанная метаповерхность обладает одновременно бианизотропией и анапольными состоянием в диапазоне длин волн 750-805 нм. Ученые рассчитали, что такой метаматериал имеет высокий электрический фактор Парселла (примерно 450) и магнитный фактор Парселла равный примерно 1000.
Применение одновременно двух указанных явлений в кремниевых метаповерхностях значительно расширяет возможности контроля излучения квантовых источников. Новые свойства открывают дорогу к созданию оптических устройств следующего поколения для квантовых компьютеров, оптоинформационных цепей и целого ряда различных нанофотонных приложений.
«Мы хотели бы реализовать нашу метаповерхность экспериментально, все проверить, а дальше рассматривать уже конкретные применения подобных мета-атомов и структур в прикладных задачах», — рассказал Александр Шалин.
Исследование частично поддержано грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно