Прорыв в управлении светом

May 20, 2023

Пхоханский университет науки и технологий (POSTECH), 24 мая 2023 г.

Схематическая диаграмма метарешетки, которая преобразует нормально падающий свет в однонаправленные SPP. Элементарная ячейка метарешетки состоит из двух разных наноструктур и вызывает индивидуальные оптические потери. 1 кредит

Ученые из корейского POSTECH и Северо-Восточного университета США успешно манипулировали светом с помощью неэрмитовых метарешеток, превратив оптические потери в полезный инструмент. Они разработали новый метод управления направлением света с помощью специально разработанных соединителей метарешеток. Этот прорыв может продвинуть вперед исследования квантовых датчиков и привести к ряду новых приложений, таких как диагностика заболеваний и обнаружение загрязнений.

Свет – очень тонкое и уязвимое физическое явление. Свет может поглощаться или отражаться от поверхности материала в зависимости от свойств вещества или изменять свою форму и превращаться в тепловую энергию. Достигнув поверхности металлического материала, свет также имеет тенденцию отдавать энергию электронам внутри металла — широкий спектр явлений, которые мы называем «оптической потерей».

Производство сверхмалых оптических элементов, которые используют свет различными способами, очень сложно, поскольку меньший размер оптического компонента приводит к большим оптическим потерям. Однако в последние годы к оптическим исследованиям стала применяться неэрмитова теория, которая использует оптические потери совершенно по-другому. Новые открытия в физике делаются на основе неэрмитовой теории, охватывающей оптические потери, и исследования способов использования этого явления, в отличие от общей физики, где оптические потери воспринимаются как несовершенный компонент оптической системы. «Скрытое благословение» — это то, что поначалу кажется катастрофой, но в конечном итоге приводит к удаче. Эта история исследования — скрытое благословение в физике.

Визуализация падающего света на метарешетку и преобразование ее в однонаправленные СПП. (Моделирование) Кредит: ПОСТЕХ

Prof. Junsuk Rho (Departments of Mechanical Engineering and Chemical Engineering) from POSTECH and PhD candidates Heonyeong Jeong and Seokwoo Kim (Mechanical Engineering) from POSTECH, and Prof. Yongmin Liu of Northeastern University (NEU) in Boston and their joint research team were able to control the direction of light beams using non-Hermitian meta-grating systems. The paper was featured in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances, международный академический журнал.

Когда свет падает на металлическую поверхность, электроны в металле коллективно колеблются как единое тело вместе со световой волной. Это явление называется поверхностным плазмон-поляритоном или ППП. Решётчатая муфта широко используется как вспомогательное устройство для управления направлением СЭС. Эффективность устройства ограничена тем, что оно преобразует падающий под прямым углом свет в SPP в непредусмотренных направлениях.

Наблюдение интерференционной картины между ППП, распространяющейся вправо, и ППП, отраженной метарешеткой. Из-за однонаправленности метарешетки СПП не передает через метарешетку в обратном направлении. 1 кредит

Исследовательская группа применила неэрмитову теорию, чтобы преодолеть этот недостаток. Для начала команда рассчитала теоретическую исключительную точку, вблизи которой происходят определенные оптические потери. Затем они подтвердили его эффективность посредством экспериментов с использованием специально разработанного неэрмитова метарешеточного соединителя. Мета-решеточный соединитель оказался эффективным в обеспечении однонаправленного управления SSP, что было практически невозможно с другими решетчатыми соединителями. Они также могли заставить свет и SPP распространяться в противоположных направлениях, контролируя размер и расстояние метарешеток. Исследовательская группа смогла добиться преобразования падающего света в SSP обратно в обычный свет, используя то же устройство метарешетки.