Свет в плену: российские и китайские физики объяснили необычное поведение фотонов в Ми-полостях

В 2023 году немецкие исследователи продемонстрировали, что свет можно «запереть» в оптических микрополостях, известных как Ми-полости. Эти структуры играют роль миниатюрных резонаторов, удерживающих световую волну. Однако детальный анализ того, как ведет себя свет внутри таких полостей при различных условиях, оставался открытым вопросом.

Три сценария для света

Команда под руководством Дениса Баранова, заведующего лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, решила пойти дальше. Ученые рассмотрели три случая: пустая полость в прозрачной среде, полость, заполненная резонансным материалом, и пустая полость внутри дисперсионного материала (с высоким показателем преломления). Результаты оказались неожиданными.

«Оказалось, что в последнем случае фотоны и экситоны образуют гибридные квазичастицы — поляритоны, — и время жизни света в полости может вырасти в разы», — рассказал Денис Баранов. Поляритоны возникают, когда фотон сильно связывается с возбуждением среды, например с экситоном. В обычных резонаторах чем выше добротность (то есть чем меньше утечка энергии), тем дольше остается свет. В Ми-полостях механизм иной: увеличение времени жизни фотона происходит не из-за свойств самой полости, а за счет его взаимодействия с экситоном из внешней среды. Экситон может существовать гораздо дольше, чем фотон, поэтому поляритон, образовавшийся в результате их сцепления, сохраняет долгое время жизни.

Неожиданные эффекты: запрещенные зоны и практические перспективы

Исследователи получили аналитические формулы для добротности Ми-полостей и определили параметры, при которых возникает сильная связь — состояние, при котором энергия успевает переходить между веществом и светом быстрее, чем рассеивается. Неожиданным открытием стало образование поляритонных зазоров — запрещенных зон, где свет не может распространяться. Они формируются в пустых Ми-полостях, окруженных поглощающей средой, и быстро растут с увеличением размеров полости. Такое явление может быть полезно для создания оптических ограничителей или переключателей.

Как подчеркнул Денис Баранов, «Ми-полости могут одновременно решить две главные проблемы современной нанофотоники: высокие потери и сложность изготовления. Платформы на их основе позволят создавать сильносвязанные поляритонные системы без дорогих зеркал и наноплазмоники». Технология получения Ми-полостей уже отработана: их вырезают в кремнии с помощью фокусированного ионного пучка. Это означает, что результаты работы могут быстро перейти из теории в эксперимент и далее — в реальные устройства, такие как сверхчувствительные биосенсоры, детекторы и элементы солнечных батарей.

Работа опубликована в авторитетном журнале Nanophotonics, что подтверждает ее научную значимость и открывает новые горизонты для развития поляритонной физики и нанофотоники.