Ученые из России, Китая, Австрии и Великобритании обнаружили новый вид оптических сингулярностей — исключительные связанные состояния в континууме, ранее считавшиеся невозможными. Такое открытие может привести к созданию сверхчувствительных датчиков для точного обнаружения вирусов и белков, а также энергоэффективных оптических транзисторов, модуляторов и переключателей. опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Медицина, лазерные технологии и даже астрономия — развитие этих и многих других современных областей невозможно без оптических резонаторов. Резонаторы выступают ключевым компонентом лазеров, где обеспечивают усиление света и формирование узкого направленного пучка. Также их используют в интерферометрах (например, LIGO) для обнаружения гравитационных волн, а в медицине — основой для высокоточных сенсоров, с помощью которых детектируют вирусы и маркеры различных заболеваний.
Оптические резонаторы демонстрируют характер открытой (неэрмитовой) системы. Такие системы способны обмениваться энергией с окружением. В отличие от замкнутых систем, где энергия полностью ограничена определённым объёмом, открытые системы взаимодействуют с внешней средой, что порождает необычные эффекты и особенности их функционирования.
Исключительные точки — явления, встречающиеся в открытых системах. Это особые состояния, возникающие при слиянии двух резонансов системы. При этом их частоты и времена жизни становятся идентичными. Представить это можно как наложение двух теней, когда одна полностью перекрывает другую. Характерной особенностью исключительной точки является ее сверхчувствительность к изменению внешних параметров. Её применяют в оптических и квантовых сенсорах для обнаружения малейших возмущений, а также в квантовых вычислениях.
Исключительные точки обладают недостатками, одним из которых является радиационный потерь. Из-за открытой системы часть энергии всегда покидает её в виде излучения, что затрудняет практическое применение исключительных точек.
Для решения проблемы с потерями и расширения применения исключительных точек международная команда учёных из России, Китая, Австрии и Великобритании предложила объединить в одну исключительную точку два взаимосвязанных состояния континуума. Эти особенные состояния не излучают энергию, хотя система, в которой находятся, открыта. Авторы идеи считают, что использование таких состояний может сформировать «защитный кокон» для исключительной точки, ограждающий ее от потерь.
Исследователи, применив численное моделирование, доказали свою гипотезу и обнаружили метод объединения двух связанных состояний в континууме в исключительную точку диэлектрических метаповерхностей.
Учёным удалось получить уникальные связанные состояния в континууме — новый тип сингулярности. В неэрмитовой системе сингулярность представляет особенное состояние, некоторые характеристики которого расходятся, приводя к аномальному поведению. Например, может возникнуть сингулярность, когда два резонанса сливаются в одну точку, что приводит к исключительной точке.
Исключительные связанные состояния — новый тип состояний, объединяющие два явления, ранее считавшиеся несовместимыми: гиперчувствительность к внешним возмущениям, как у исключительной точки, и защиту от потерь, как у связанных состояний в континууме.
Ранее исследователи считали невозможным объединить связанные состояния в континууме и создать исключительную точку из-за противоречивых требований: сохранения энергии и её потерь. Это противоречие удалось преодолеть путем внедрения дополнительного канала потерь. Введение этой возможности, казалось бы, тривиальной, радикально изменило подход. Учесть было важно не только излучение энергии в окружающую среду, но и её поглощение материалом. Такое простое предположение полностью перевернуло картину и позволило объединить два связанных состояния в континууме в единую исключительную точку. Можно утверждать, что эти два замечательных явления фотоники с открытой системой (неэрмитовой), интенсивно изучаемые последние годы, наконец-то встретились. — сообщил один из исследователей, доцент физического факультета ИТМО Андрей Богданов.
Исследователи предсказывают резонансные состояния, открывающие новые возможности для создания высокоточных оптических сенсоров. Такое открытие можно применить в диэлектрических метаповерхностях, например, для обнаружения вирусов или белков. Благодаря равномерному распределению связанных состояний по поверхности, эффективное взаимодействие с тонкими слоями биологических образцов (около 100 нанометров) возможно. Это позволяет измерять концентрацию белков или других маркеров оптическими методами с большей точностью, вплоть до обнаружения отдельных молекул.
Исключительные связанные состояния в континууме могут пригодиться для изготовления энергоэффективных нелинейных компонентов для интегральной фотоники — к примеру, оптических транзисторов, модуляторов и переключателей.
В настоящее время учёные готовят образцы для экспериментов, направленных на изучение особых связанных состояний в континууме. Эксперимент планируется провести совместно с коллегами из Циндао на базе совместного с ИТМО научно-исследовательского центра по нанофотонике и метаматериалам. Он позволит проверить теоретические выводы и наблюдать за объединением двух связанных состояний в континууме в одну исключительную точку.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО
Источник фото: ru.123rf.com