Как поймать и удержать свет в пустоте: ученые раскрыли секрет Ми-полостей

В 2023 году немецкие ученые показали, как запирать свет в оптические микрополости, или Ми-полости. В этом случае они выполняют роль резонатора, в котором «хранится» световая волна. Физтехи с коллегами из Китая решили пойти дальше и узнать, что произойдет, если полости будут заполнены поглощающим материалом или если окружающая среда станет дисперсионной (с высоким показателем преломления). Работа опубликована в журнале Nanophotonics.

«Мы рассмотрели три случая: пустая полость в прозрачной среде, полость, заполненная резонансным материалом, и пустая полость внутри дисперсионного материала. 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, заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Поляритоны — это гибридные квазичастицы, которые возникают, когда фотон сильно связывается с возбуждением среды, например экситоном. В обычном резонаторе чем выше его добротность — то есть чем меньше он отдает световую энергию наружу, — тем дольше свет остается внутри. В Ми-полостях все оказалось наоборот, но по другой причине. Увеличение жизни фотона происходит не из-за особых свойств 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. Благодаря этому он может дольше находиться в Ми-полости. Исследователи получили аналитические формулы для добротности Ми-полостей и определили параметры возникновения сильной связи — того состояния, 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.

«Мы показали, что 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», — добавил Денис Баранов.

Технология получения Ми-полостей уже отработана: их вырезают в кремнии с помощью фокусированного ионного пучка. Это значит, что результаты работы могут быстро перейти из теории в эксперимент и далее — в реальные устройства нанофотоники, такие как сверхчувствительные биосенсоры, детекторы и элементы солнечных батарей.