Физики создали резонатор размером в несколько сотен нанометров, способный удерживать свет внутри себя на время, за которое световая волна совершает более 200 периодов колебаний. На основе него ученые создали устройство, которое увеличивает частоту входного света в два раза, а в будущем такие нанорезонаторы могут стать основой для создания оптических средств связи, приборов ночного видения и компактных сенсоров. Работа опубликована в журнале Science.
С помощью электрооптики можно передавать информацию на расстояние, считывать и записывать данные. Для контроля света его нужно уметь удерживать в малой области пространства на достаточно долгое время. Но чем меньше резонатор, тем сложнее удержать в нем волну. До сих пор добиться приемлемого времени удержания света на практике удавалось лишь для резонатора, размерами превышающего длину электромагнитной волны.
Попытки ученых создать нанометровый резонатор пока что не были очень успешными — созданные нанорезонаторы обладают малой добротностью и плохо удерживают свет. В 2017 году команда физиков из России и Австралии предсказала новый тип диэлектрических резонаторов с очень высокой добротностью. Ее удалось достичь за счет реализации режима связанных состояний в континууме. Это явление, открытое в 1929 году в квантовой механике, применимо к разным типам волн (электромагнитным, акустическим или волнам на воде).
Группе физиков из Нового физтеха Университета ИТМО, Австралийского Национального Университета и Университета Корё под руководством Кирилла Кошелева (Kirill Koshelev) удалось создать предсказанный два года назад резонатор. Ученые добились времени захвата света на порядок выше, чем в предыдущих работах.
«Из арсенида галлия были изготовлены цилиндры высотой около 700 нм с различными диаметрами, близкими к 900 нм. Их практически не увидеть невооруженным взглядом. Как показал эксперимент, эталонная частица захватила свет на время, превышающее в 200 раз период одного колебания световой волны. Обычно для частицы таких размеров этот показатель не превышает 5 — 10 периодов световых колебаний. А здесь 200!», — говорит Кирилл Кошелев.
Интенсивные импульсы света, взаимодействующие с диэлектриком, могут стать причиной оптически нелинейного отклика среды, в результате чего частота выходной электромагнитной волны может быть увеличена в несколько раз (следовательно, цвет света, прошедшего через такую среду изменится в сторону фиолетового). Проблема в том, что этот процесс довольно слаб и происходит на расстояниях порядка тысячи длин волн.
На основе такого цилиндра — в нем возникает описанная выше нелинейность — физикам удалось обойти эти проблемы и создать устройство для увеличения частоты луча в два раза. Например, инфракрасный свет, проходя через такое устройство, попадает в видимый диапазон. Гипотетически, если нанести слой таких резонаторов на поверхность стекла, получится простой в использовании прибор ночного видения.
Разработанный учеными резонатор может быть сделан не только из арсенида, другие полупроводники тоже подойдут. Да и размеры цилиндра можно масштабировать сохраняя пропорции. Резонаторы станут основой для различных сенсоров, компактных оптических датчиков, средств передачи данных и приборов ночного видения.
Оптические резонаторы используют и для изучения других физических объектов. Не так давно, например, оптический резонатор выявил квантовые движения в жидкости.
Олег Макаров