Учёные впервые сконцентрировали свет на наноразмерах для широкого спектра волн

Сфокусировать свет в объёме, сравнимом с длиной волны самого света, — задача непростая, но крайне важная для технологий вроде квантовой связи, оптических сенсоров и миниатюрных лазеров. Учёным из AMOLF, Технологического университета Делфта и Корнеллского университета удалось сделать шаг в этом направлении: они впервые экспериментально продемонстрировали способ, позволяющий концентрировать свет на сверхмалой площади при помощи особых свойств фотонного кристалла. Причём их метод работает не на одной конкретной длине волны, а сразу на широком диапазоне, что делает его особенно перспективным. Работа опубликована в журнале Science Advances 18 апреля.

До сих пор для фокусировки света использовали либо оптические резонаторы, работающие на строго определённой длине волны, либо волноводы, которые направляют свет и сжимают его, как воронка. Но у каждого из этих подходов были серьёзные ограничения — либо по спектру, либо по размерам устройств. Новая идея основана на топологических свойствах фотонных кристаллов — материалов с регулярной структурой микроскопических отверстий в кремнии, которые в обычных условиях не пропускают свет.

Однако если взять два таких кристалла с зеркальным рисунком отверстий и соединить их, то на границе возникает особый волновод, по которому свет может распространяться. И, что особенно важно, его путь устойчив к дефектам — из-за так называемой топологической защиты. Учёные задались вопросом: что произойдёт, если такой волновод просто обрезать и поставить на его пути «стену» из непрозрачного материала? Поскольку свет не может уйти дальше и при этом почти не отражается назад, он начинает накапливаться перед преградой. Это и привело к локальному усилению светового поля.

Чтобы проверить эту идею, исследователи изготовили топологические волноводы на кремниевой подложке и с помощью уникального микроскопа в Делфте — с тончайшей иглой, сканирующей поверхность — смогли увидеть распределение света с точностью, превышающей толщину человеческого волоса в тысячу раз. И действительно, они зафиксировали заметное усиление светового поля на границе волновода, причём только если «стена» стояла под определённым углом. Это в точности совпало с предсказаниями, сделанными в Корнелле.

Таким образом, учёные не только подтвердили теоретическую модель, но и открыли путь к новому способу управления светом на чипе. Особенность подхода в том, что он работает сразу для множества длин волн и применим не только к свету, но и к другим типам волн — например, к звуку или электронам в особых кристаллах. В будущем исследователи планируют изучить, как долго свет продолжает накапливаться у преграды, если использовать импульсный лазер. Это поможет понять, насколько можно усилить поле и где именно такая концентрация энергии будет наиболее полезна.