Физики «научили» частицы рассеивать свет в форме гантели

Физики определили условия, в которых шарообразные частицы начинают рассеивать свет преимущественно в двух боковых направлениях, в результате чего диаграмма рассеяния по форме становится похожей на гантель. Оказалось, что для этого нужно подействовать микроволнами на сфероидные диэлектрические частицы с большим показателем преломления. Предложенный подход поможет разработать высокочувствительные наноантенны и лазеры, а также детекторы пылевых зерен в космосе. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.

Сегодня носители информации и запоминающие устройства создаются не на основе традиционных электронных технологий и механизмов передачи сигналов, а с использованием оптических систем. Так, передача и обработка информации с помощью квантов света (фотонов) позволяет увеличить скорость процесса и хранить больше данных в меньшем объеме носителя по сравнению с микросхемой. Чтобы передавать световые импульсы, ученые все чаще используют шарообразные керамические частицы, поскольку они обладают особыми физическими свойствами — магнитным и электрическим дипольным моментами. Это означает, что частица представляет собой диполь, то есть несет два противоположных заряда (плюс и минус), находящиеся на некотором расстоянии друг от друга.

Взаимодействие дипольных моментов приводит к тому, что частицы по-разному рассеивают свет — известно либо рассеяние вперед, либо же рассеяние назад. Оба они осуществляются благодаря эффекту Керкера — явлению, при котором происходит подавление одного из таких рассеяний. Среди важных проблем фотоники — создание направленного рассеяния света, необходимого, например, для производства наноантенн.

Группа исследователей из Национального университета науки и технологий «МИСИС» (Москва), Объединенного института высоких температур РАН (Москва), Университета Восточной Финляндии (Финляндия), Санкт-петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург), Института теоретической и прикладной электродинамики РАН (Москва) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) выявила, что с помощью диэлектрических частиц можно создавать необычные виды рассеяния.

В ходе экспериментов специалисты облучали сфероидные керамические частицы микроволнами. Керамика в качестве материала была выбрана по причине ее чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемости, что позволяет использовать интенсивные магнитные резонансы в рассеянии. В качестве альтернативных материалов для такого рассеяния исследователи предлагают использовать кремний (Si) или его диоксид (SiO2). Также ученые считают, что в оптической области спектра сфероидные частицы можно будет заменить цилиндрическими, то есть модифицировать не материал, а форму. Это позволит улучшить качество эксперимента, поскольку сфера не способна давать полный спектр рассеяния в отличие, например, от частицы в форме эллипсоида.

Авторы впервые экспериментально продемонстрировали эффект бокового рассеяния, когда прямое и обратное пренебрежимо малы. В отличие от стандартного эффекта Керкера, обусловленного интерференцией (наложением) дипольных составляющих электрического и магнитного компонентов рассеянного света, эффект бокового рассеяния связан с интерференцией электрического диполя и магнитного квадруполя (по сути совокупности двух диполей). Экспериментальные результаты хорошо согласуются с математическими расчетами.

«Управление рассеянием микроскопических частиц и наночастиц представляет важную задачу, связанную с разработкой современных оптических устройств. Например, можно создавать невидимость и суперпрозрачность оптических материалов, конструировать новые типы нанолазеров, генерировать магнитные поля, сопоставимые с полями в нейтронных звездах, делать линзы, позволяющие увидеть вирусы в школьном микроскопе, и многое другое», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Борис Лукьянчук, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.