Диэлектрические метарешетки позволили сильно сконцентрировать электромагнитное поле

Ученые впервые смогли получить сильный тороидальный дипольный отклик электромагнитного поля в широком диапазоне частот. Такой отклик связан с особой конфигурацией токов, которая позволяет сильно концентрировать электромагнитное поле. Его удалось экспериментально зарегистрировать в специально созданной диэлектрической метарешетке. Полученные результаты можно использовать при создании материалов, не рассеивающих свет, а также для эффективного управления электромагнитными полями. Результаты опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.

Для того, чтобы создать точные сенсоры, нелинейные оптические приборы или устройства хранения информации, нужно научиться эффективно управлять электромагнитным полем: концентрировать его, менять направление колебаний или поляризацию волн. Регулируя возбуждаемые токи внутри объекта, можно контролировать взаимодействие дипольных откликов электромагнитного излучения и менять реакцию объекта на внешнее воздействие. Например, объект можно сделать невидимым. Для этого в одной структуре нужно совместить два вида диполей: обычный электрический и более сложный тороидальный диполь.

До сих пор исследователи экспериментально регистрировали либо очень слабый тороидальный диполь, либо он существовал только в очень узком диапазоне частот, поэтому применить его где-либо было сложно. Кроме того, экспериментальные структуры создавали на основе металлов, а это приводило к большим энергетическим потерям. Чтобы преодолеть это, международный коллектив ученых из России, Австралии и США впервые разработал и создал метарешетку из диэлектрического материала с тороидальным дипольным откликом, доминирующим в широком диапазоне частот.

«Мы создали периодическую структуру и провели с ней ряд экспериментов, чтобы убедиться, что в структуре силен тороидальный диполь. В ходе изучения спектра и распределения электромагнитного поля нам удалось зарегистрировать характерные для тороидального диполя черты. Поле имело высокую концентрацию и сильную продольную компоненту. Сильная продольная компонента подразумевает, что колебания электромагнитного поля структуры по направлению совпадают с его распространением. Это может пригодиться, например, для создания чувствительных сенсоров отдельных молекул или для реализации нелинейных эффектов в оптике», ‒ рассказывает один из авторов работы Андрей Саянский, аспирант Университета ИТМО.

 

Для создания метарешетки ученые использовали диэлектрические материалы с небольшим коэффициентом преломления, хотя обычно для таких целей выбирают диэлектрики с высокими значениями коэффициента. Результаты показали, что более доступные «средние» диэлектрики также можно использовать, чтобы избежать потерь энергии. Еще одна особенность работы в том, что в полученной метарешетке тороидальный отклик можно возбуждать волной любой поляризации. Это поможет расширить сферу применения материалов и устройств на основе метарешетки.

Ученые надеются, что благодаря более дешевым материалам их коллеги смогут изучать подобные структуры активнее. Это поможет и более широкому применению диэлектрических метарешеток на практике. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ) и проектом Австралийского исследовательского центра.
Источник http://rscf.ru