Физики увидели вынужденное излучение поверхностных плазмон-поляритонов

Китайские физики увидели вынужденное излучение терагерцовых поверхностных плазмон-поляритонов, облучая тонкий железный стержень мощным лазером. Это стало возможным благодаря когерентной передаче энергии разогнанными электронами в гибридную моду. В будущем этот эффект ляжет в основу плазмон-поляритонных лазеров. Исследование опубликовано в Nature.

Идея квазичастиц оказалась крайне полезной при описании некоторых повторяющихся процессов в системах с большим количеством тел, в первую очередь, в конденсированных средах. Квазичастица объединяет в себе сразу несколько элементарных процессов (в этом случае физики говорят о гибридизации), существенно уменьшая нагрузку на описывающую их теорию. Так, коллективным колебаниям атомов в кристаллах соответствуют фононы, а постоянному поглощению, переизлучению и рассеянию света по мере его распространения в среде — поляритоны. Про эти и другие квазичастицы читайте в материале «Зоопарк квазичастиц».

В сложных структурах, однако, порой требуется дальнейшая гибридизация уже существующих квази- или реальных возбуждений. Примером этого можно назвать поверхностный плазмон-поляритон (ППП) — квазичастицу, возникающую на границе метал-диэлектрик и описывающую перманентный обмен энергии между поляритонной модой в диэлектрике и плазмонной модой в металле. Плазмонами называют квазичастицы, соответствующие колебаниям плотности свободных зарядов — электронов и дырок.

ППП интересны физикам своей способностью концентрировать электромагнитную энергию в очень малом объеме (много меньше длины волны), чего не удается сделать в диэлектрике или пустоте из-за дифракционного предела. Это не только делает возможным субволновую фокусировку света для нужд микроскопии и литографии, но и существенно усиливает напряженность электрического поля в приповерхностном слое, что открывает новые режимы взаимодействия света и вещества.

Частоты ППП обычно принадлежат оптическому диапазону. Вместе с тем интерес представляют ППП в терагерцовом диапазоне, где у материалов, как правило, расположены резонансы, связанные с колебаниями и вращениями атомов. Другой интерес к терагерцовой области связан с тем, что для оптических ППП характерно сильное рассеяние, приводящее к разрушению какой-либо когерентности. Ученые считают, что увеличение длины волны способно преодолеть это ограничение и в перспективе привести к созданию ППП-лазеров.

Большой шаг в этом направлении сделали Дун Дун Чжан (Dongdong Zhang) и его коллеги из Шанхайского института оптики и точной механики. Они смогли добиться вынужденного излучения терагерцовых ППП за счет когерентной передачи энергии от сопутствующих электронов, разогнанных лазером в металле. В перспективе этот механизм может быть использован для сверхизлучения гибридных квазичастиц, необходимого для создания ППП-лазера.

В своих экспериментах физики фокусировали излучение инфракрасного фемтосекундного лазера на стержень диаметром 50 микрометров и длиной 80 миллиметров. Лазерные фотоны рассеивались на стержне с образованием небольшого количества затравочных ППП и импульса свободных электронов. Эти два возбуждения распространялись совместно, но по мере движения электроны тормозились, передавая свою энергию в моду ППП до своего полного рассеяния.

Чтобы количественно оценить этот процесс, физики измеряли магнитное и электрическое поле с помощью двух разных детекторов. Первый представлял собой кристалл тербий-галлиевого граната (Tb₃Ga₅O₁₂, TGG) толщиной в один миллиметр, который ученые располагали параллельно стержню на расстоянии 500, 750 и 1000 микрометров от него. Этот материал обладает ярко выраженным эффектом Фарадея, то есть наклоном поляризации света под действием магнитного поля. Электрическое поле физики измеряли через 30 миллиметров от точки возбуждения с помощью пластины теллурида цинка, демонстрирующей эффект Поккельса. В обоих случаях от исходного луча накачки они выделяли небольшое количество света для формирования зондирующих лучей, которые проходили через полосу задержки относительно накачки.

Эксперименты показали, что ППП экспоненциально усиливаются электронами в течение примерно четырех с небольшим пикосекунд совместного распространения. На пике электрическое поле ППП достигает 15 мегавольт на метр, а магнитное — 5,11 тесла. Обработка результатов показала, что спектр квазичастиц испытывает сужение и двукратное смещение в красную область. Симуляции методом конечных интегралов подтвердили, что это происходит из-за отстающих электронов, которые удлиняют плазмон-поляритонный волновой пакет.

В завершение физики порассуждали о том, как повысить эффективность вынужденного излучения ППП в таком методе, доведя его до сверхизлучения. Для этого они предложили использовать серию электронных импульсов, временной интервал между которыми согласован с частотой ППП. В этом случае ученые ожидают, что механизм усиления будет напоминать принцип работы лазера на свободных электронах, а интенсивность ППП, которую можно достичь таким образом, будет в 100 раз выше, чем то, что физики наблюдали в эксперименте.

Это не первая попытка применить идею лазерной генерации к чему-то помимо света. Мы уже рассказывали, как физики создают активные среды, которое помогут реализовать когерентное усиление для звука и атомного пучка.