От Гинзбурга к плазмонам

Физики Томского государственного университета совершили прорыв в области переходного излучения, предсказав эффект, который классическая теория считала невозможным на протяжении почти 80 лет. В работе, опубликованной в журнале Physical Review B, ученые показали, что в спиральных метаматериалах с сильной пространственной дисперсией релятивистский электрон испускает фотоны строго вперед — вдоль направления своего движения.

Это противоречит фундаментальным постулатам теории Гинзбурга—Франка, созданной в середине прошлого века, где такое излучение было запрещено. Секрет неожиданного эффекта — в нелокальном отклике среды и коллективных колебаниях электронов (плазмонах), возникающих в искусственных спиральных структурах. Хотя явление пока предсказано теоретически, модель уже блестяще согласуется с предыдущими экспериментами, а само открытие отворяет двери к созданию управляемых источников излучения с заранее заданными характеристиками — от медицинской диагностики до установок класса «мегасайенс». В интервью «Ъ-Науке» профессор кафедры квантовой теории поля физического факультета Томского государственного университета Петр Казинский и младший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ, ассистент кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ Петр Королев рассказали, как спиральные метаматериалы «ломают» симметрию, почему они решили пересмотреть наследие Гинзбурга спустя десятилетия и что мешает провести прямую экспериментальную проверку прямо сейчас.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Если совсем просто: что вы сделали и почему это сюрприз? Ведь классика Гинзбурга—Франка утверждала, что света вперед быть не может.

— Классическая теория Гинзбурга и Франка, созданная еще в середине прошлого века, блестяще описывала переходное излучение в обычных, однородных средах – там, где отклик вещества в каждой точке зависит только от поля в этой же точке. Однако мы решили выйти за эти рамки и обратились к среде совершенно иной природы — метаматериалу с искусственно созданной спиральной микроструктурой и, что самое важное, с сильной пространственной дисперсией. Проще говоря, мы рассмотрели случай, когда среда «помнит» о том, что происходит по соседству,— ее отклик нелокальный. И именно эта комбинация — спиральная микроструктура плюс сильная нелокальность — приводит к неожиданному результату: излучение возникает даже строго вдоль направления движения частицы, то есть появляется переходное излучение вперед, которое невозможно в рассмотренных классиками материалах.

— В чем секрет спирального метаматериала? Что в нем ломает старые правила и как это связано с вашей предыдущей работой про «закрученный свет»?

— Спиральные метаматериалы — это искусственно созданные композиты, собранные из множества крошечных упорядоченных спиралек. По своим оптическим свойствам они удивительно напоминают природные спиральные структуры, например, холестерические жидкие кристаллы — те самые, что работают в экранах современных мониторов. С такими средами мы уже имели дело ранее и исследовали, как в них распространяются и рождаются фотоны в особых «закрученных» состояниях — квантовых модах, которые сегодня привлекают внимание физиков благодаря их потенциалу в сверхплотной передаче данных, спектроскопии сверхвысокого разрешения и других передовых областях. Результаты тех работ были многообещающими, и в данный момент ставится эксперимент по проверке разработанной теории, но мы решили двинуться дальше и задаться вопросом: что произойдет, если усложнить среду, добавив в нее сильную пространственную дисперсию?

Именно здесь и кроется главный сюрприз. В таких материалах возникают дополнительные степени свободы — плазмоны, коллективные колебания электронов, которые нетривиальным образом взаимодействуют с электромагнитным полем. Примером такой среды служит упорядоченный массив проводящих спиралей: он не только обладает спиральной симметрией, но и демонстрирует сильную нелокальность отклика. В отличие от классических сред, рассмотренных Гинзбургом и Франком, здесь появляются плазмоны и нарушаются сразу две важные симметрии — зеркальная и вращательная относительно оси, перпендикулярной поверхности. Именно это сочетание и порождает те удивительные эффекты, которым посвящена наша работа.

— Это чистая теория или уже есть экспериментальное подтверждение? Ваши расчеты кто-то проверил «на железе»?

— Сейчас мы находимся на том этапе научного процесса, который физики называют «теоретическое предсказание». Стандартный путь в науке выглядит так: сначала возникает идея, затем строится математическая модель, потом формулируется четкий план для эксперимента, и только после этого включаются приборы. Мы постарались сделать нашу модель максимально приближенной к эксперименту, чтобы экспериментаторы могли сразу приступить к делу.

Наша теория прошла уже косвенную проверку: мы сравнили ее с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными, в том числе с экспериментальной работой 2010 года, где измерялся закон дисперсии в аналогичных спиральных метаматериалах. Результат нас обнадежил: совпадение оказалось превосходным. Это значит, что наша модель правильно описывает поведение таких сред.

Однако до сих пор никто не ставил задачу зарегистрировать переходное излучение вперед в подобной системе. Этот эффект просто не искали, потому что классическая теория запрещала его существование. Теперь, когда мы теоретически показали, что он возможен, мяч на стороне экспериментаторов.

— Что это дает за пределами лаборатории? Где такие эффекты могут пригодиться — в медицине, связи, на установках «мегасайенс»?

— Как это часто бывает, последствия могут быть довольно долгосрочными и разнообразными. Для нас, теоретиков, это в первую очередь фундаментальное знание. Однако уже сейчас можно сказать, что область приложений этого эффекта затрагивает почти все приложения канонического переходного излучения.

Сейчас переходное излучение используется в медицине для неинвазивной диагностики и терапии, и это развивающееся и многообещающее направление. Также свойства переходного излучения востребованы в промышленности: от производства микросхем до контроля качества. Физики используют переходное излучение в устройстве детекторов частиц высокой энергии, диагностике пучков заряженных частиц в ускорителях и еще много где. Некоторые из приложений уже устоялись как стандарты, а некоторые только развиваются. Здесь и может оказаться востребованным эффект излучения вперед в метаматериалах.

Переходное излучение вперед — это мощный, направленный источник электромагнитного излучения с изменяемыми характеристиками. Изменяя геометрию метаматериала, можно точно подобрать нужную для конкретной задачи частоту излучения от ГГц до оптического диапазона и его поляризационные свойства. Это значит, что потенциально новый эффект может найти применение везде, где требуется управляемый источник фотонов с наперед заданными характеристиками.

— Что дальше? И зачем вообще спустя 80 лет после Гинзбурга пересматривать переходное излучение? Это вопрос чистого любопытства или назревшая инженерная необходимость?

— Это скорее вопрос любопытства. Если можно узнать что-то новое — нужно это обязательно узнать. Иногда результат бывает довольно неожиданным, как в этом случае. Мы не планируем останавливать исследование спиральных сред и, в частности, спиральных метаматериалов. Уверены, что впереди нас ждет открытие еще многих неожиданных эффектов и знаний о природе, которые впоследствии найдут свое применение в технологиях.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки