Физики заставили волноводы исчезнуть друг для друга в двумерной решетке

Ученые из России Чили впервые экспериментально показали эффект взаимной невидимости в решетках из волноводов. При таком расположении соседние волноводы перестают обмениваться светом —  запущенный в решетку свет не рассеивается, а остается локализованным в ограниченной области, сообщила пресс-служба Университета ИТМО.

В физике конденсированного состояния известен «магический» угол между слоями графена, при котором свойства материала резко изменяются, и возникает сверхпроводимость. Оказывается, что в фотонике существует его аналог — угол невидимости. Если два волновода расположены под таким углом, то связь между ними исчезает, и свет перестает перетекать между волноводами — они становятся как будто невидимыми друг для друга. Благодаря этому сигнал, запущенный в массив из таких волноводов, по мере распространения не расплывается и не теряет интенсивности, а остается локализованным на небольшой группе каналов.

Ранее подобные эффекты наблюдали в одномерных фотонных структурах, но добиться нужного поведения в двумерных периодических решетках долгое время не удавалось. В эксперименте ученых Университета ИТМО и Университета Чили впервые удалось реализовать эффект невидимости в двумерной системе волноводов.

Сначала физики экспериментально подтвердили существование угла невидимости. Вся волноводная структура была записана фемтосекундным лазером в стекле. Принцип такой записи прост: под действием излучения показатель преломления стекла изменяется. Передвигая лазерный луч, можно нарисовать единичный волновод или даже целый массив. Оказалось, что если расположить волноводы под углом примерно 55°, то перетекание света между ними почти сходит на нет.

После этого ученые сконструировали двумерную решетку из волноводов, причем некоторые углы между элементами структуры были равны углу невидимости. Эффект повторился — свет из центральной пары каналов, в которую направили сигнал, практически не расплывался по решетке, а локализовался в одной области. 

Есть еще один занимательный эффект. Если направлять свет не в центр решетки, а в самую верхнюю пару волноводов, сигнал локализуется лучше.

«Если направлять свет не в центр решетки, а в самую верхнюю пару волноводов, сигнал локализуется лучше. Это следствие не только угла невидимости, но и топологии решетки — особой геометрии и симметрии, благодаря которым на углу возникает топологическое состояние. В такой ситуации свет как бы запирается на краю структуры и не может проникать вглубь решетки», — рассказал. Максим Мазанов, автор статьи и аспирант Университета ИТМО.

У открытия есть и практическая ценность. 

«Когда пучок света распространяется практически в любой структуре, он расплывается в поперечном направлении. Этот эффект известен как дифракция —  и именно он, к примеру, ограничивает разрешение линз, телескопов и других оптических приборов. Разработанная нами фотонная структура позволяет побороть нежелательный эффект дифракции, и, что самое важное, делает это для видимого света», — объяснил Максим Горлач, автор статьи и руководитель фронтирной лаборатории Университета ИТМО.

Теоретическое описание и подробности эксперимента опубликованы в журнале Nano Letters. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.