Физики разработали способ концентрировать свет с помощью стены

Иногда ученым и инженерам нужно сконцентрировать свет в малом объеме. Они делают это для повышения эффективности оптических устройств, уменьшения их размеров и развития технологий квантовых вычислений. В идеале исследователям хотелось бы уметь концентрировать свет небольшим устройством в область, сравнимую по размерам с длиной волны этого света.

До сих пор было известно два подхода к концентрации света: с помощью оптических резонаторов или волноводов, которые сжимают свет. Первый метод использует эффект резонанса, и физические размеры устройства подобраны так, чтобы усиливать одну точно выбранную длину волны. Второй работает по методу оптической линзы, но требует большого размера устройства.

Международная команда физиков продемонстрировала новый способ фокусировки света на малом масштабе. Ключевым элементом новой методики стала топология физической системы. Ученые используют для концентрации света фотонные кристаллы. Их метод работает в более широком диапазоне длин волн по сравнению с альтернативными подходами. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

«Фотонные кристаллы — кремниевые пластины с повторяющимся регулярным узором из микроскопических отверстий, которые в принципе препятствуют распространению света в материале. Но если разместить рядом два таких кристалла с зеркально отраженным узором, то на их границе возникает волновод, и свет может распространяться только вдоль этой границы. Особенность конструкции в том, что световое проведение „топологически защищено“: рассеяние и отражение на дефектах материала подавлены», — объяснил один из авторов исследования Даниэль Мёйс (Daniel Muis).

Исследователи экспериментально проверили, что произойдет, если такой волновод резко оборвать стеной из непроницаемого для света материала. Оказалось, что так можно сконцентрировать излучение.

Свет не может пройти сквозь стену материала, а отражение в области до ограничителя подавлено. В результате свет накапливаться перед этим барьером. Со временем излучение все же отскакивает назад по волноводу, но с задержкой. Это и приводит к локальному усилению светового поля.

Усиление светового поля в конце топологического волновода происходит, только если «стена» расположена под определенным углом к волноводу. Это показывает, что усиление света связано с топологическим подавлением обратного отражения. Устройство позволяет проводить концентрацию света в малом объеме — сопоставимом с длиной волны самого света.

Описанный учеными механизм применим к другим типам волн в структурированных средах, включая звуковые волны или даже электроны в определенных кристаллах.

«Следующим шагом может стать применение импульсного лазера, чтобы изучить временной интервал, в течение которого продолжается накопление света. Это позволит оценить максимум возможного усиления поля и использовать его в оптических чипах для управления светом», — подытожил Мёйс.