Ученые Сибирского федерального университета в составе международного научного коллектива впервые экспериментально обнаружили хиральный таммовский плазмон-поляритон, локализованный на границе холестерического жидкого кристалла и метаповерхности. На основе обнаруженного эффекта можно сконструировать целый спектр новых устройств фотоники, в частности, био- и температурные сенсоры, позволяющие получать данные анализа в домашних условиях, а также лазерные радары и микролазеры с «закрученным» лучом.
Хиральные фотонные структуры на крыльях бабочки / ©Getty images
Классический таммовский плазмон-поляритон — это световая волна, «запертая» между тонкой металлической пленкой и многослойным отражателем. Такая волна становится хиральной, когда в качестве отражателя используется среда, не обладающая зеркальной симметрией. Например, холестерический жидкий кристалл, состоящий из ориентированных продолговатых молекул, направление которых «закручивается» в пространстве подобно винтовой спирали, похожей на спираль ДНК.
Металлическое зеркало в этом случае малопригодно, потому что при отражении от него волна меняет направление поляризации. Например, падающий свет правой круговой поляризации отражается уже с левой круговой поляризацией. По этой причине световая волна не «запирается», а постоянно «просачивается» сквозь жидкий кристалл. Эту проблему можно решить, заменив металлическую пленку на метаповерхность – искусственно созданный массив метаатомов – субволновых элементов, размеры которых меньше длины волны света.
Сибирские исследователи показали, что длину волны хирального таммовского плазмон-поляритона можно перестраивать за счет изменения температуры окружающей среды. По мнению ученых, этот эффект может лечь в основу современных сенсоров для проведения медицинских анализов. Статья опубликована в авторитетном журнале Materials.
«Нами была изготовлена метаповехность, состоящая из золотых нанокирпичей 190 на 70 на 70 нанометров, расположенных на 100-нанометровом слое диоксида кремния (SiO₂), нанесенного на отражающую золотую пластинку толщиной 200 нм. При этом нанокирпичи развернуты на 45 градусов относительно ориентации жидкого кристалла.
Соединение такой метаповерхности с холестерическим жидким кристаллом позволило «запереть» свет с правой круговой поляризацией, в то время как лево-поляризованный свет смог беспрепятственно «утекать» через структуру», — объяснил доцент кафедры электротехнологии и электротехники, научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Рашид Бикбаев.
Исследователи также продемонстрировали, как можно изменить длину волны хирального таммовского плазмон-поляритона, регулируя температуру окружающей среды. Например, повышение температуры всего на три градуса (с 26о до 29о С) смещает длину волны локализованного состояния более чем на 100 нанометров.
«В природе хиральные фотонные структуры можно наблюдать на синеватых листьях папоротника и еловой хвое, в кожице некоторых ягод и блестящих на солнце покровах жуков и бабочек. В то же время, экспериментальная реализация искусственных аналогов таких структур — кропотливая и трудоемкая работа. Строится теоретическая модель, находятся подходящие материалы и технологии. В случае хиральных таммовских плазмон-поляритонов нами было испробовано несколько экспериментальных схем с различными типами анизотропных зеркал на основе нанокомпозитов, мультислоев, метаповерхностей.
И вот, после пяти лет поисков, эта красивая идея нашла свое воплощение», — рассказал руководитель научного коллектива с российской стороны, профессор кафедры теоретической физики и волновых явлений, заведующий лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Иван Тимофеев. В состав научного коллектива также вошли ученые Института физики имени Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН и Национального университета Ян-Мин Чао-Тун (Тайвань).
