Команда ученых из России, Китая, Австрии и Великобритании открыла новый вид оптических сингулярностей, который раньше считался невозможным — исключительные связанные состояния в континууме. Исследование открывает возможности для создания новых сверхчувствительных датчиков, которые смогут точнее детектировать вирусы и белки, а также энергоэффективных оптических транзисторов, модуляторов и переключателей.
Медицина, лазерные технологии и даже астрономия — развитие этих и многих других современных областей невозможно без оптических резонаторов. Например, резонаторы выступают ключевым компонентом лазеров, где обеспечивают усиление света и формирование узкого направленного пучка. Они также используются в интерферометрах (например, LIGO) для обнаружения гравитационных волн, а в медицине служат основой для высокоточных сенсоров, с помощью которых детектируют вирусы и маркеры различных заболеваний.
Оптические резонаторы — яркий пример открытой (неэрмитовой) системы. Это системы, которые могут обмениваться энергией с окружающей средой. В отличие от закрытых или замкнутых систем, где энергия полностью изолирована в некотором объеме, открытые системы взаимодействуют с внешним миром, что приводит к удивительным эффектам и особенностям их поведения.
Одним из таких явлений в открытых системах считаются исключительные точки. Это особые состояния, которые возникают, когда два резонанса системы сливаются, то есть их частоты и времена жизни становятся одинаковыми. Это можно представить как наложение двух теней, когда одна полностью перекрывает другую. Отличительное свойство исключительной точки — ее сверхчувствительность к изменению внешних параметров. Эту особенность уже применяют в оптических и квантовых сенсорах для обнаружения малейших возмущений в окружающем пространстве, а также в квантовых вычислениях.
Но у исключительных точек есть и недостатки. Один из них ― их радиационные потери. На первый взгляд, таких потерь нельзя избежать, так как система открыта и часть энергии в виде излучения всегда уходит во внешнюю среду. Это сильно ограничивает применение исключительных точек на практике.
Чтобы решить проблему с потерями и расширить возможности применения исключительных точек, международная команда ученых из России, Китая, Австрии и Великобритании придумала объединить в одну исключительную точку два связанных состояния в континууме. Это особенные состояния, которые не излучают энергию, несмотря на то, что система, в которой они находятся, открыта. По задумке, использование таких состояний могло бы помочь сформировать что-то вроде «защитного кокона» для исключительной точки, который будет оберегать ее от потерь.
Ученые подтвердили свою идею с помощью численного моделирования и нашли способ, как объединить два связанных состояния в континууме в исключительную точку в диэлектрических метаповерхностях (это структурированные пленки из материала с высоким показателем преломления. Их используют для локализации света (концентрация волны в ограниченном пространстве неоднородной среды) и управления его характеристиками).
В итоге ученым удалось получить исключительные связанные состояния в континууме — новый вид сингулярности. В неэрмитовой системе сингулярность относится к особенному состоянию, некоторые характеристики которого расходятся, то есть возникает аномальное поведение. В частности, сингулярность может проявляться, когда два резонанса сливаются в одну точку, это приводит к исключительной точке.
Исключительные связанные состояния в континууме — это новый тип состояний, потому что они объединяют два ключевых явления, которые раньше считались несовместимыми. Они не только гиперчувствительны к внешним возмущениям, как исключительная точка, но и защищены от потерь, как связанные состояния в континууме.
Раньше ученые думали, что объединить связанные состояния в континууме и создать исключительную точку невозможно, потому что для этого нужно было выполнить одновременно два противоречивых друг другу условия. Первое — чтобы система не теряла энергию, а второе — чтобы потери все же оставались. Это создавало фундаментальное противоречие. Нам удалось его обойти, введя дополнительный канал потерь. На первый взгляд, это тривиальное допущение, но оно кардинально меняет подход к вопросу. Мы учли, что энергия может не только излучаться во внешнее пространство, но и поглощаться самим материалом. Это простое допущение полностью переворачивает картину и позволяет объединить два связанных состояния в континууме в одну исключительную точку. Можно сказать, что эти два удивительных явления фотоники с открытой системой (неэрмитовой), которые активно изучаются последнее десятилетие, наконец-то встретились.
- Андрей Богданов, один из авторов исследования, доцент физического факультета ИТМО
По словам исследователей, предсказанные резонансные состояния открывают совершенно новые возможности для создания высокоточных оптических сенсоров. Например, это открытие можно использовать в диэлектрических метаповерхностях ― в том числе для детектирования вирусов или белков. Благодаря тому, что связанные состояния равномерно распределяются по площади метаповерхности, они могут эффективно взаимодействовать с тончайшими слоями биологических образцов (около 100 нанометров). Это позволяет измерять концентрацию белков или других маркеров оптическими методами с более высокой точностью ― вплоть до детектирования отдельных молекул.
Также исключительные связанные состояний в континууме пригодятся для создания энергоэффективных нелинейных компонентов для интегральной фотоники ― например оптических транзисторов, модуляторов и переключателей.
Сейчас ученые изготавливают образцы для проведения экспериментов по наблюдению исключительных связанных состояний в континууме. Эксперимент планируется проводить с китайскими коллегами из Циндао на базе совместного с ИТМО научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов. Эксперимент поможет проверить теоретические результаты и понаблюдать за слиянием двух связанных состояний в континууме в одну исключительную точку.
Результаты работы опубликованы журнале Physical Review Letters.
Изображение на обложке: freepik
