Дрожание превратит наночастицу в оптический диод

Исследователи из Физико-технического института имени Иоффе (Санкт-Петербург) теоретически показали, что дрожащая наночастица рассеивает свет несимметрично. В частности, при определенных соотношениях между поляризуемостью при частоте падающего и рассеянного света практически все излучение отражается в обратную сторону или проходит вперед, то есть частица превращается в оптический диод. Статья опубликована в Physical Review X, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на arXiv.org.

Как правило, частицы рассеивают падающий на них свет равномерно во всех направлениях. Например, благодаря равномерному диффузному рассеянию солнечного света на молекулах атмосферы и взвешенных в ней твердых частицах небо кажется голубым. С другой стороны, чтобы построить оптические приборы, которые управляют сигналами в нанофотонных системах, нужно контролировать направление, частоту и поляризацию рассеянного излучения. Самый простой способ это сделать — заставить рассеивающую частицу двигаться. Тогда интенсивность рассеянного света будет зависеть от угла между падающим лучом и направлением движения частицы. В частности, с помощью этого метода охлаждают атомные газы в оптических ловушках. К сожалению, чтобы добиться большой асимметрии, надо разгонять частицы до скорости, сравнимой со скоростью света, что сложно реализовать на практике.

Еще один способ предложил в 1983 году американский физик Мильтон Керкер (Milton Kerker), который теоретически изучал рассеяние плоской электромагнитной волны сферической частицей. С хорошей точностью такую частицу можно представить в виде суммы электрического и магнитного диполя. Если магнитная и диэлектрическая восприимчивость частицы будут примерно равны, падающая волна будет возбуждать оба диполя с одинаковой силой, и их излучение будет интерферировать. В результате интенсивность рассеянного излучения получится несимметричной — если правильно подобрать фазы диполей, можно превратить частицу в оптический диод, который рассеивает падающее излучение только вперед. Этот эффект называют эффектом Керкера. К сожалению, для видимого света эффект Керкера практически незаметен: на таких частотах магнито-дипольные переходы очень слабы, и ими можно пренебречь. Поэтому ученым приходится прибегать к другим эффектам, чтобы построить оптические диоды, которые работают с видимым светом.

Физики Александр Пошакинский и Александр Поддубный придумали, как модифицировать эффект Керкера и заставить его работать в видимом диапазоне. Для этого ученые предложили трясти частицу в направлении, перпендикулярном ориентации электрического диполя. В этом случае в ней будет наводиться петлевой электрический ток, который создаст ненулевой магнитный дипольный момент и электрический квадрупольный момент. Как и в обычном эффекте Керра, излучение моментов будет интерферировать с электрическим диполем, и рассеянное частицей излучение получится несимметричным. Поэтому ученые назвали это явление оптомеханическим эффектом Керра. Интересно, что реализовать этот эффект можно не только для частиц, но и для тонких слоев диэлектриков.

Чтобы теоретически изучить оптомеханический эффект Керкера, ученые разработали новый теоретический подход мультипольной резонансной оптомеханики. Этот подход строгим непертурбативным образом раскладывает резонансное излучение движущейся среды в сумму излучений мультиполей. Другими словами, он определяет, как правильно рассчитать мультипольные моменты среды в резонансном случае, когда частоты падающего излучения ω и рассеянного излучения ω’ не совпадают. Стандартный подход в этом случае не работает: поляризуемость среды, наведенные моменты и интенсивность излучения зависят от частоты, и не ясно, какую из двух частот нужно выбрать. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые вычислили поправки к собственно-энергической функции фотонов и матрице рассеяния за счет оптомеханических эффектов (дрожания частицы), а потом нашли с их помощью дипольные и квадрупольные моменты частицы.

Используя разработанную теорию, ученые вычислили угловую зависимость дифференциального сечения непругого рассеяния фотонов на дрожащей частице с изотропной поляризуемостью α. Неупругий процесс — это процесс, в ходе которого изменяется энергия фотонов. Степень асимметричности зависимости характеризуется направленностью (directivity) D; чем больше этот параметр, тем сильнее асимметрия. Оказалось, что при нерезонансном рассеянии, когда поляризуемости α(ω) = α(ω’), излучения электрического и магнитного диполя гасят друг друга, и практически весь свет отражается обратно (D ≈ 4,3). В резонансном случае, когда α(ω) ≠ α(ω’), можно не только отразить весь свет обратно, но и практически полностью пропустить его вперед. Направленность обоих процессов зависит от отношения поляризуемостей α(ω’)/α(ω) и достигает значения D_max ≈ 5,3. Теоретические предсказания ученые подтвердили с помощью численных расчетов.

Затем исследователи показали, что в рассматриваемой системе можно наблюдать оптомеханический спиновый эффект Холла — явление, благодаря которому фотоны с противоположной круговой поляризацией рассеиваются в противоположные стороны. Для этого физики учли поляризацию фотонов при вычислении сечения рассеяния. По словам ученых, оптомеханический эффект Холла возникает по двум причинам. Во-первых, поляризуемости при частоте падающей и рассеянной волны могут отличаться не только абсолютным значением, но и фазой. Во-вторых, фазы колебаний электрического и магнитного диполя зависят от направления плоскости, в которой двигается частица. Ситуации, в которых эффект Холла можно заметить, ученые нашли с помощью теоретических расчетов.

Наконец, физики проверили, можно ли реализовать открытый ими эффект на практике. Оказалось, что для разных энергий фотонов целесообразно использовать разные рассеивающие устройства. Например, при энергиях порядка 0,1 миллиэлектронвольта (микроволновое излучение) на роль рассеивателей хорошо подходят СКВИДы — сверхпроводящие квантовые интерферометры. При энергиях порядка 0,1 электронвольта можно использовать графен. Для фотонов с энергией одного электронвольта (видимый свет) подходит сразу три типа рассеивателей — холодные атомы, квантовые точки или монослои из дихалькогенидов переходных металлов. Наконец, для энергий порядка 10 килоэлектронвольт (рентген) пригодны атомные ядра. Правда, некоторые из этих приборов плохо поддаются настройке и могут работать только в качестве обратных диполей, которые полностью отражают падающее излучение.

В марте прошлого года британские физики теоретически предсказали «двуликий диполь Януса» — прибор, который гасит падающие на него волны при одной ориентации, но усиливает их при изменении ориентации на противоположную. Для этого ученые предложили «подкручивать» относительную фазу между электрической и магнитной компонентами волны, которая падает на рассеивающее устройство и возбуждает в нем колебания электрического и магнитного диполя. А в ноябре исследователи из Германии преодолели дифракционный предел и зафиксировали смещение наночастицы величиной всего 0,3 нанометра, хотя длина волны превышала 500 нанометров. Этот метод также основан на соотношении между электродипольным и магнитодипольным моментами, которые наводит в частице падающее электромагнитное излучение.

Дмитрий Трунин