Предел, который не устоял
Как наночастица рассеяла свет вопреки теории
В физике есть правила, которые выглядят незыблемо. Одно из них — предел рассеяния света одиночной частицей. Согласно классической теории, диполь — простейший тип оптического резонанса — не может рассеивать свет с площади, превышающей строго определенный теоретический максимум. Этот предел следует из фундаментальных соображений об энергии и симметрии и долгое время считался абсолютным.
Фото: nikolay trebukhin / unsplash.com
Фото: nikolay trebukhin / unsplash.com
Исследователи Московского физико-технического института совместно с коллегами из европейских университетов показали, что у этого предела есть обход. Кремниевый наностолбик диаметром 260 нанометров рассеивает свет почти вдвое сильнее допустимого и не за счет какого-то трюка с геометрией, а благодаря физике, которая прежде к задаче рассеяния не применялась. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Что такое рассеяние и зачем его усиливать
Когда свет падает на маленькую частицу, часть энергии уходит в разные стороны — это и есть рассеяние. Чем сильнее частица рассеивает, тем активнее она взаимодействует с окружающей средой: поглощает больше энергии, сильнее влияет на проходящий свет, ярче «видна» для детектора.
В нанофотонике рассеяние — ключевой инструмент. На нем строятся сенсоры, наноантенны, метаповерхности. Поэтому вопрос о том, насколько сильно маленькая частица может рассеивать свет, имеет вполне практическое измерение: чем выше рассеяние, тем компактнее и эффективнее устройство.
Классическая теория устанавливает для каждого типа резонанса — дипольного, квадрупольного и так далее — свой предел рассеяния. Превысить его в рамках одного резонанса считалось невозможным. Так называемое суперрассеяние, известное с 2010-х годов, обходило это ограничение иначе: несколько резонансов разных типов совмещались по частоте, и их вклады складывались. Но это требовало точной настройки сразу нескольких мод и было крайне чувствительно к потерям в материале.
Запертый свет и его неожиданное следствие
Ключом к новому механизму стала физика связанных состояний в континууме — по-английски bound states in the continuum, BIC. Это особый класс оптических состояний, при которых свет оказывается «заперт» внутри резонатора, хотя по всем формальным критериям должен излучаться наружу. Запирание происходит из-за деструктивной интерференции: волны, которые должны уйти из частицы, гасят друг друга.
BIC-состояния в последние годы стали одной из самых активных тем нанофотоники именно благодаря аномально высоким добротностям и сильной локализации поля внутри резонатора. Однако их связь с рассеянием прежде не рассматривалась: частица в режиме BIC, напротив, почти ничего не излучает.
Группа Александра Шалина, главного научного сотрудника лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ и эксперта НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», обнаружила, что у этой медали есть обратная сторона. Если слегка вывести резонатор из режима BIC — чуть изменить его форму, нарушить симметрию,— запертое состояние «открывается» и начинает вносить вклад в рассеяние. Причем вносит его не просто аддитивно к уже существующим модам, а через перераспределение энергии между каналами рассеяния: один канал усиливается за счет другого. Именно это перераспределение и позволяет одному дипольному резонансу превысить собственный предел.
«Представьте, что у вас есть частица, которая за счет комбинации полей внутри ничего не излучает. Через нее проходит волна, и при этом ничего не происходит. Но стоит подстроить параметры — и ситуация меняется кардинально»,— объясняет Александр Шалин.
Кремниевый столбик против теории
Авторы рассмотрели несколько типов резонаторов. Наиболее практически доступный — цилиндр из кремния радиусом 130 нанометров и высотой 180 нанометров. В исходной конфигурации два резонанса частицы — электрический диполь и магнитный квадруполь — находятся вблизи режима BIC и почти не взаимодействуют. При небольшом изменении высоты цилиндра симметрия нарушается, моды начинают связываться, и дипольный канал рассеяния получает дополнительный вклад от квадрупольного. Сечение рассеяния электрического диполя вырастает почти вдвое относительно теоретического предела.
Важное свойство нового механизма — устойчивость к потерям в материале. Классическое суперрассеяние, основанное на перекрытии нескольких высокодобротных резонансов, крайне чувствительно к поглощению: небольшие потери обрушивают эффект. В новом режиме добротность резонанса намеренно снижается при открытии BIC-канала, и именно это делает его более робастным: сечение рассеяния остается выше предела даже при реалистичных потерях кремния в видимом диапазоне.
Для более сложной геометрии — прямоугольной наночастицы с разными размерами по всем трем осям — авторам удалось получить усиление магнитного диполя в 2,6 раза выше предела. Физически это эквивалентно рассеянию, которое дали бы три отдельные резонансные сферы одновременно. При комбинации нового механизма с классическим суперрассеянием суммарное сечение достигает пятикратного превышения предела.
Результаты подтверждены экспериментально в микроволновом диапазоне на керамических резонаторах, масштабированных до миллиметровых размеров. Измеренные сечения рассеяния и картины ближнего поля хорошо согласуются с теоретическими расчетами.
Электромагнитный щит
Помимо усиления рассеяния, авторы описывают эффект, который Шалин в интервью называет «электромагнитным щитом». Суперрассеиватель отклоняет силовые линии светового потока настолько сильно, что за ним образуется тень — область пространства, значительно большая, чем сам резонатор, где интенсивность поля и, соответственно, световое давление существенно снижены. Несколько других наночастиц, помещенных в эту тень, оказываются экранированы от радиационного давления проходящего пучка. Это открывает возможности для управления наночастицами в оптических пинцетах и биологических экспериментах, где паразитное световое давление мешает точному позиционированию объектов.
Куда движется нанофотоника
«Нанофотоника сейчас развивается очень быстро: от фундаментальной науки к опытно-конструкторским работам. Уже появилось несколько групп в мире, которые делают тончайшие плоские линзы. Если их сделать толщиной 200 нанометров и плоскими, то камера уйдет в корпус телефона и все идеально»,— говорит Шалин.
Суперрассеяние на основе BIC вписывается в этот вектор. Чем эффективнее одиночная наноантенна взаимодействует со светом, тем компактнее и проще становятся метаповерхности, сенсоры и демультиплексоры для фотонных схем. Авторы статьи указывают на возможные применения в биосенсорике, сборе световой энергии и управляемых наноантеннах для интегральной фотоники.
Работа также показывает, что физика BIC — явление, которое еще несколько лет назад изучалось преимущественно как фундаментальный курьез,— оказывается инструментом для решения конкретных инженерных задач. Предел рассеяния, казавшийся абсолютным, допускает превышение, и механизм этого превышения теперь понят и описан количественно.