Гигантское усиление электромагнитных волн обнаружено внутри малых диэлектрических частиц

Ученые физического факультета и факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с российскими и зарубежными коллегами впервые провели прямое измерение гигантских электромагнитных полей, возникающих в диэлектрических частицах с большим коэффициентом преломления при рассеянии электромагнитных волн. Исследователи представили результаты своей работы в журнале Scientific Reports.

Проблема миниатюризации базовых элементов в электронике требует все новых подходов. В этой связи особую важность приобретает задача создания переменных электромагнитных полей высокой интенсивности, сосредоточенных в возможно более малом объеме. Ученые из МГУ в составе международного коллектива впервые провели прямые измерения гигантского поля, возбуждаемого внутри субволновой диэлектрической частицы при рассеянии плоской электромагнитной волны, и количественно объяснили наблюдаемый эффект соответствующими расчетами.

«Теоретически этот эффект был известен: при таком рассеянии частица действует, как воронка, собирающая излучение из окружающего ее пространства, и концентрирующая его внутри частицы. Однако на пути его практической реализации возникали значительные трудности. Первыми кандидатами на роль таких "концентраторов поля" были металлические наночастицы, но они не оправдали надежд. Дело в том, что в наиболее интересной для приложений области оптических частот многие металлы обладают большим электрическим сопротивлением. Это приводит к значительным потерям энергии, которая тратится на бесполезное (а зачастую и вредное) нагревание частицы, а не на увеличение в ней амплитуды электромагнитного поля. В таком случае естественно было бы обратиться к диэлектрическим частицам. Но и здесь все обстоит не так просто», — рассказал ведущий автор статьи, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Михаил Трибельский.

Если частица не обладает большим коэффициентом преломления, то резонансное усиление поля мало. Что же касается частиц с большим коэффициентом преломления, то считалось, что если электромагнитная волна падает на такую частицу, размер которой мал по сравнению с длиной волны излучения, то поле внутрь частицы почти не проникает. Оказалось, что при определенных частотах падающего излучения ситуация прямо противоположная: поле не просто проникает внутрь частицы, а происходит его гигантская концентрация. Этот эффект аналогичен тому, как малыми, но сделанными в нужный момент толчками, можно очень сильно раскачать качели.

«Главный результат нашей работы в том, что мы впервые экспериментально доказали возможность возбуждения таких полей», — пояснил Михаил Трибельский.

Трудность соответствующих измерений на оптических частотах состоит в том, что надо измерить поле внутри наночастицы, да еще с пространственным разрешением порядка нанометра. Нам удалось обойти ее за счет того, что задача о рассеянии света наночастицей была промоделирована эквивалентной задачей по рассеянию радиоволн частицей сантиметрового размера. Для того же, чтобы иметь возможность в процессе измерений перемещать сенсор внутри частицы, использовался жидкий диэлектрик — обычная дистиллированная вода, выдерживаемая при определенной температуре, налитая в прозрачный для радиоволн контейнер.

Направление, к которому принадлежит работа ученых, лежит на самом переднем крае современных исследований по субволновой оптике (оптике объектов с масштабами меньшими длины волны падающего излучения). Интерес к этим явлениям объясняется их широким применением в медицине (диагностика и лечение различных заболеваний, включая онкологические, целевая доставка лекарственных препаратов и прочее), биологии (различные сенсоры и маркеры), телекоммуникациях (наноантенны), системах записи и хранения информации и в других областях. Явление также может быть использовано при создании принципиально новых оптических компьютеров, где вместо электрических импульсов информация переносится световыми пакетами.

«Конкретно наша работа открывает дополнительные возможности для разработки принципиально новых сверхминиатюрных наноустройств и метаматериалов — искусственно сформированных и особым образом структурированных веществ с необычными электромагнитными свойствами», — заключил ученый.

Работа была выполнена в сотрудничестве с учеными НИЯУ МИФИ, Университета ИТМО и Австралийского национального университета.