Как добиться максимальной добротности
Разработка ИТМО уменьшит размер оптических и микроволновых устройств
Российская группа физиков из Университета ИТМО, СПбГЭТУ ЛЭТИ и Австралийского национального университета создала сверхрезонатор в микроволновом диапазоне. Разработка позволит производить высокоэффективные компактные элементы для микроволновой техники и оптических компьютеров.
Фото: Валерий Гашеев/ТАСС
Большинство современных бытовых приборов работают по принципу управления различными волнами — акустическими, оптическими, радиоволнами. С их помощью мы нагреваем объекты, записываем и передаем информацию. Важный элемент в таких системах — резонаторы: устройства, которые «ловят» падающую волну и многократно усиливают ее интенсивность. От свойств резонаторов зависит качество работы техники, управляющей светом, звуком или микроволновыми колебаниями.
Хороший резонатор, способный эффективно захватывать и удерживать электромагнитное излучение, обычно имеет большие размеры по сравнению с длиной волны. Но к большинству современных устройств предъявляют требования компактности. Физики Университета ИТМО, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ и Австралийского национального университета (группа профессора Юрия Кившаря) нашли решение, создав субволновой резонатор размерами много меньше длины волны, способный максимально эффективно концентрировать электромагнитную энергию.
«Одна из основных характеристик резонатора — это его добротность, то есть способность накапливать падающую электромагнитную энергию,— рассказывает сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО, доцент СПбГЭТУ ЛЭТИ Михаил Одит.— Обычно добротность резонатора очень быстро затухает с уменьшением его размеров. Поэтому важной задачей становится создание компактного и в то же время высокодобротного резонатора. Для решения этой задачи мы решили прибегнуть к использованию так называемых связанных состояний в континууме, известных из квантовой механики».
Это явление заключается во взаимодействии излучений двух связанных резонансов, существующих в одной системе. Оно может приводить как к усилению, так и к полному подавлению излучения резонатора.
«В нашей работе показано, как обеспечить такую геометрию резонатора, чтобы излучаемые им колебания в дальней зоне подавляли друг друга,— продолжает Михаил Одит.— Это происходит, когда резонатор формирует два типа колебаний, имеющих схожую форму полей и возникающих на одной частоте. Если колебания взаимно вычитаются, то резонатор перестает излучать энергию, что фактически означает значительное повышение его эффективности. А само устройство остается компактным».
Чтобы наблюдать описанный эффект, необходимо правильно выбрать форму, размер и материал резонатора. Исследователи остановились на устройстве цилиндрической формы из микроволновой керамики с большой диэлектрической проницаемостью. Но чтобы с необходимой точностью подобрать размер нужного цилиндра, пришлось бы изготовить десятки резонаторов разных размеров. Поэтому была предложена идея сделать небольшой набор из цилиндров, высота которых менялась бы в два раза по отношению к предыдущему. Таким образом, высота самого маленького цилиндра составила всего 0,25 мм, а самого крупного — 15 мм. Комбинируя набор из этих резонаторов, можно было собрать конечный образец нужной высоты, сохраняя точность подбора высоты всего 1/4 мм.
«Нам был необходим резонатор с большой диэлектрической проницаемостью,— рассказывает аспирант Университета ИТМО Сергей Гладышев.— Это важно для наилучшей локализации электромагнитной энергии в устройстве. Это помогло в эксперименте увидеть четкий резонанс даже при наличии паразитных шумов. Микроволновая керамика с низкими потерями подошла наилучшим образом. Ее свойства сохранялись даже для цилиндров с толщиной меньше миллиметра».
Ученым удалось найти оптимальные размеры цилиндра и экспериментально наблюдать суперрезонансные состояния. Показано, что уже пятипроцентное изменение высоты резонатора приводило к стократному увеличению его добротности.
По сути, авторам исследования удалось добиться максимально высокой добротности резонатора для данного материала. Сделать его более эффективным можно, только предложив еще более совершенный диэлектрик с меньшим уровнем поглощения.
Использованы материалы статьи Observation of Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators; Mikhail Odit, Kirill Koshelev, Sergey Gladyshev, Konstantin Ladutenko, Yuri Kivshar, Andrey Bogdanov; журнал Advanced Materials, ноябрь 2020 г.