Физики экспериментально изменили цвет таммовских плазмон-поляритонов
a) Модель резонатора b) Фотография слоистого фотонного кристалла, сделанная с помощью электронного микроскопа (c,d) Фотографии слоя жидкого кристалла, сделанные с помощью оптического микроскопа, при разных значениях приложенного к резонатору внешнего напряжения.
Учёные Сибирского федерального университета в составе международного научного коллектива провели экспериментальные исследования гибридных таммовских плазмон-поляритонов. Таммовский плазмон-поляритон – это локализованное («пойманное») состояние света, возникающее на границе между тонким слоем металла и распределенным брэгговским отражателем. Это состояние было впервые продемонстрировано экспериментально более 10 лет назад. Благодаря включению в изготовленную структуру слоя жидкого кристалла (ЖК) исследователи СФУ смогли управлять длиной волны этих мод – управление достигалось благодаря воздействию на слой ЖК электрического поля или при изменении его температуры. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с зеркалами, которые представляют собой металлическую пленку, покрытую защитным слоем. Однако существуют ещё так называемые диэлектрические зеркала, состоящие из чередующихся тонких слоев различных диэлектрических материалов – такие материалы относительно плохо проводят электрический ток. Подобные структуры часто называют одномерными фотонными кристаллами. Отличительной особенностью диэлектрических зеркал является то, что они могут отражать практически весь падающий свет, в то время как в привычных для нас металлических зеркалах поглощается и рассеивается более 10% световой энергии, согласно ГОСТу.
Если сложить вместе металлическую пленку и диэлектрическое зеркало, то на границе раздела между зеркалами свет запирается, иными словами – образуется локализованная мода, называемая таммовским плазмон-поляритоном.
«Своё название эта локализованная мода получила в честь физика, Нобелевского лауреата Игоря Тамма, который предсказал существование подобного локализованного состояния для волн электронов на границе обычного полупроводникового кристалла ещё в 1932 году. Благодаря аналогии между поведением электронных волн в обычных кристаллах и световых волн в фотонных кристаллах, такая световая мода была найдена уже в начале 21 века», – объяснил научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии СФУ Павел Панкин.
С практической точки зрения таммовский плазмон-поляритон может использоваться во многих практических приложениях, таких как сенсоры, поглотители нового типа, лазеры и др. Важной задачей для учёных является возможность управления длиной волны света, на которой возбуждается данная мода. Длина волны света определяет его цвет (длинные световые волны – красного цвета, а короткие - фиолетового), т.е. фактически идет речь об «управлении цветом» таммовского плазмон-поляритона. Чтобы выполнить эту задачу, можно изготовить новую структуру с другими характеристиками и толщинами слоев. Однако перестройка длины волны таммовского плазмон-поляритона в уже имеющейся структуре – более интересная задача. Для её достижения авторы исследования добавили к изготовленной структуре дополнительный слой жидкого кристалла. В такой системе таммовский плазмон-поляритон взаимодействовал с модами света, находящимися в слое ЖК, что приводило к образованию гибридных мод. Теперь, при внешнем воздействии на жидкий кристалл, можно было «управлять цветом» гибридных таммовских плазмон-поляритонов.
«Жидкие кристаллы – это уникальные материалы, свойства которых могут изменяться относительно слабыми внешними воздействиями, например, благодаря напряжению в несколько вольт или варьированию их температуры. Эти воздействия и были использованы в наших экспериментах для управления длиной волны гибридного таммовского плазмон-поляритона», – поделился старший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии СФУ Виталий Сутормин.
Авторы работы считают, что полученные в работе результаты расширяют возможности применения таммовских плазмон-поляритонов в современных устройствах фотоники.
В состав научного коллектива помимо учёных СФУ вошли сотрудники Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, АО НПП «Радиосвязь», Сибирского государственного университета науки и технологий им. М.Ф. Решетнева и Национального университета Ян Мин Чао Тун (Тайвань).