Скрученный фотонный кристалл позволил управлять волноводными резонансами

Физики убедились в этом теоретически и экспериментально

Американские физики исследовали прохождение микроволнового излучения через скрученный бислой фотоннокристаллических пластин. Они показали, что при таких условиях частью волноводных резонансов можно управлять. Это будет полезно для включения и выключения связи между падающей и волноводной модами в широком спектре практических приложений. Исследование опубликовано в Science Advances.

Волноводный резонанс (guided-mode resonance) — это явление, возникающее при падении света на пленку с периодической модуляцией показателя преломления (фотонный кристалл). Наличие периодичности способствует сильному связыванию падающей волны с волноводной модой внутри пленки за счет дифракции и, в конечном итоге, усилению взаимодействия света и вещества. Этот эффект используется при создании сенсоров, светодиодов, лазеров, а также во множестве других приложений.

Важная особенность волноводного резонанса — его зависимость от угла падения и длины волны, что используется для включения и выключения эффекта. Тем не менее, физики продолжают поиск способов иного контроля связи между модами, поскольку не все практические приложения позволяют изменять угол между падающим лучом и образцом.

Для решения этой проблемы Бэй Чэн Лоу (Beicheng Lou) и его коллеги из Стэнфордского университета обратились к достижениям скрученной фотоники. Эта молодая область изучает многослойные оптические материалы, чьи слои повернуты под углом друг к другу. Авторы остановили свой выбор на прохождении излучения через пару фотоннокристаллических слоев, повернутых друг относительно друга. Оказалось, что в такой схеме можно управлять волноводным резонансом, меняя угол скручивания.

Для возникновения волноводного резонанса требуется согласование между частотами и волновыми векторами (точнее, их проекциями в плоскости слоя) падающей моды и модами в слое. Пластины из фотонных кристаллов подходят для этого очень хорошо, поскольку зависимость частоты от волнового вектора в них (дисперсионные соотношения) имеет периодический вид. Это обуславливает богатую резонансную структуру соответствующих спектров пропускания.

Так, простой анализ на основе сложения векторов в обратном пространстве показывает, что резонансы, соответствующие нулевым порядкам дифракции не должны зависеть от угла скручивания в двуслойной структуре. Взаимодействие же ненулевых порядков должно приводить к зависимости частоты волноводного резонанса от обратного вектора муаровой решетки и, следовательно, от угла скручивания.

Чтобы увидеть этот эффект в эксперименте, физики пропускали микроволновое излучение с сантиметровой длиной волны через бислой алюминиевых дифракционных решеток с периодом 0,64 сантиметра. Алюминиевые стержни диаметром 0,17 сантиметра были закреплены в 3D-печатной раме. Одна из рамок была неподвижной, другая — свободно вращалась в диапазоне углов от 0 до 90 градусов. Для борьбы с множественными отражениями авторы ориентировали бислой под углом 26,6 градуса к падающей волне.

Измеряя спектры пропускания под различными углами, ученые следили, как меняются частоты резонансов по мере увеличения скручивания (резонансу соответствует провал в спектре). Эксперименты подтвердили существование как стабильных, так и зависящих от угла резонансов. Авторы сопроводили эксперимент моделированием в рамках строгого метода связанных волн. Расчеты оказались в хорошем согласии с результатами эксперимента, хотя теория предсказывала больше различных резонансов. Физики связали это с тем, что размер решеток был недостаточно большим, чтобы приближение бесконечного фотонного кристалла, использованное в расчетах, было достаточно точным.

На исследование оптических материалов со скрученными слоями ученых вдохновили успехи, которых достигли их коллеги, работающие со скрученным графеном. Подробнее об этом читайте в материале «Точно закручено». Акустика также развивается в этом направлении. Мы уже рассказывали, как скрученный акустический метаматериал заставил звук преломляться отрицательно.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Тонко закручено

Как у графена нашли магический угол и что из этого вышло

Нобелевскую премию 2010 года Андрею Гейму и Константину Новоселову присудили за опыты с графеном. Работа, за которую ученые фактически получили премию, была опубликована за шесть лет до этого — она рассказывает о методе получения отдельного слоя углерода толщиной в один атом, в устойчивость которого при комнатной температуре не особо верили. Его уникальные свойства — электрические, механические, оптические и теплопроводящие — подтвердились.