Открытие позволит разработать новые фотонные элементы для оптических чипов и квантовых устройств, поляризационные изоляторы для защиты лазеров и волноводов, генераторы «закрученных» фотонов и другие перспективные устройства, сообщили в пресс-службе вуза.
В последние годы наука все активнее исследует так называемые метаматериалы — искусственные среды с тщательно заданной микроскопической структурой. Их оптические свойства не определяются только химическим составом, как у привычных веществ. Здесь важна форма, периодичность и симметрия, с которой выстроены элементарные структуры.
«Мне нравится, как в физике соображения о симметрии наводят на интересные открытия. В частности, в данной работе мы исследовали спиральные метаматериалы и, надо сказать, что люди исследовали их и до нас, однако подходы к их описанию опирались на „микроскопическую“ теорию, „усредняя“ материал по отдельным спиралькам, что в результате не позволяло дать предсказательную технику и интерпретацию численных расчетов в широкой области параметров. Именно размышления о симметрии позволили нам получить такую точную и лаконичную модель», — рассказал один из авторов работы, аспирант кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Петр Королев.
Как показали авторы работы, в таких структурах появляются киральные запрещенные зоны — диапазоны частот, на которых волна не может распространяться. Более того, эти зоны зависят от поляризации света. То есть волны, обладающие правой круговой поляризацией, проходят, а левой — отражаются. Или наоборот — в зависимости от направления витков в материале. При этом эффект можно точно настраивать, изменяя угол закрутки спирали, расстояние между элементами и параметры среды.
При определенных условиях формируется даже полная запрещенная зона — диапазон частот, при котором электромагнитная волна не проходит совсем. Подобные явления известны в других структурах, например, в жидких кристаллах, но в спиральных метаматериалах они значительно усиливаются за счёт проводимости и пространственной дисперсии.
Чтобы описать столь сложную картину, исследователи использовали эффективную теорию поля. Этот инструмент давно служит физикам в теории фазовых переходов, физике высоких энергий и космологии, но в применении к метаматериалам он дает необычайно точные и наглядные результаты.
В рамках этой модели авторы ввели специальное плазмонное поле, отражающее коллективное движение зарядов в проводящих спиралях. Это позволило превратить сложные интегро-дифференциальные уравнения в локальные, то есть зависящие только от значений в данной точке, и найти точные решения в ключевых режимах. Полученные формулы полностью описывают поведение света — его интенсивность, поляризацию, энергию и распределение потоков энергии внутри материала.
Открытия, сделанные в этой работе, имеют самый широкий потенциал. Среди перспективных направлений: фильтрация сигналов по поляризации (связь, радиолокация); фотонные элементы для оптических чипов и квантовых устройств; сенсоры, чувствительные к киральным свойствам излучения; поляризационные изоляторы для защиты лазеров и волноводов; генераторы «закрученных» фотонов.
Кроме того, предложенная модель позволяет проектировать поведение материала без длительных численных расчетов. Это дает возможность оптимизировать геометрию и состав будущих устройств еще до изготовления прототипов, подчеркивают ученые ТГУ.
«В нашей работе мы старались применить строгие методы теоретической физики к актуальным задачам прикладной оптики. Используя эффективную теорию поля, мы построили аналитическую модель, которая позволяет предсказывать физические свойства света в спиральных метаматериалах. Это не просто абстрактная теория — наша модель согласуется с численными расчетами и может использоваться при проектировании новых функциональных материалов: от оптических фильтров до элементов фотонных схем. Мы надеемся, что это направление будет развиваться и на стыке физики, материаловедения и инженерии приведет к созданию новых технологий», — отметил профессор кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Петр Казинский.
Ученые предполагают, что через несколько лет элементы на основе спиральных метаматериалов могут стоять в телекоммуникационных устройствах, на борту спутников, в медицинских лазерах и в лабораториях квантовых вычислений.
Статья об исследовании вышла в журнале Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical (Q1).
