Гигантское усиление электромагнитных волн обнаружено внутри малых диэлектрических частиц
Интенсивность магнитного поля при рассеянии электромагнитной волны
© Михаил Трибельский/МГУ
Астрономы впервые напрямую измерили гигантские электромагнитные поля, возникающие в диэлектрических частицах с большим коэффициентом преломления при рассеянии электромагнитных волн. Исследователи из Университета ИТМО, МГУ и Австралийского национального университета представили результаты своей работы в журнале Scientific Reports.
Исследователи обнаружили, что диэлектрические наночастицы способны резонансно рассеивать свет. При таком рассеянии наночастица действует как воронка, которая собирает падающее излучение с большой области и концентрирует его в малом объеме. Ученые впервые напрямую экспериментально измерили это гигантское резонансное поле, возбуждаемое внутри субволновой диэлектрической наночастицы при рассеянии плоской электромагнитной волны, и количественно объяснить наблюдаемый эффект соответствующими расчетами.
«Теоретически этот эффект был хорошо 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 наночастицы, 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 Михаил Трибельский.
В вакууме электромагнитные волны распространяются максимально быстро, со скоростью света. В веществе их скорость зависит от коэффициента преломления света этим веществом: чем больше коэффициент, тем меньше скорость. Считалось, что если электромагнитная волна падает на частицу с большим коэффициентом преломления, размер которой мал по сравнению с длиной волны излучения, то электромагнитное поле внутрь такой частицы почти не проникает. Но 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, осуществили прямые экспериментальные измерения этого гигантского резонансного поля, возбуждаемого в субволновой частице, и количественно объяснили этот эффект соответствующими теоретическими расчетами», — пояснил Трибельский.
Трудность таких измерений на оптических частотах состоит в том, что надо было измерить поле внутри наночастицы, да еще с пространственным разрешением порядка нанометра. Ее удалось обойти за счет того, что задача о рассеянии света наночастицей была промоделирована эквивалентной задачей по рассеянию радиоволн частицей сантиметрового размера. Для того чтобы иметь возможность в процессе измерений перемещать сенсор внутри такой 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.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.