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

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.

Подготовила Ксения Ослопова

Картина дня

Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...