3D-рендеринг 4 полиритоновых полостей разного размера.
Фото: Маттео Чекканти.

Совершив значительный шаг вперед в области квантовой нанофотоники, группа европейских и израильских физиков представила новый тип поляритонных резонаторов и переопределила пределы удержания света. Эта новаторская работа, подробно описанная в исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, демонстрирует нетрадиционный метод удержания фотонов, преодолевающий традиционные ограничения нанофотоники.

Физики уже давно ищут способы заставить фотоны уменьшаться в размерах. Естественным масштабом длины фотона является длина волны, и когда фотон попадает в полость, намного меньшую, чем длина волны, он фактически становится более «концентрированным». Эта концентрация усиливает взаимодействие с электронами, усиливая квантовые процессы внутри полости.

Однако, несмотря на значительный успех в удержании света в глубоких субволновых объемах, эффект диссипации (оптическое поглощение) остается серьезным препятствием. Фотоны в нанополостях поглощаются очень быстро, намного быстрее, чем длина волны, и это рассеяние ограничивает применимость нанополостей для некоторых из наиболее интересных квантовых приложений.

Исследовательская группа профессора Фрэнка Коппенса из ICFO в Барселоне, Испания, решила эту проблему, создав нанополости с беспрецедентным сочетанием субволнового объема и увеличенного срока службы. Эти нанополости размером менее 100x100 нм² и толщиной всего 3 нм удерживают свет на значительно более длительное время. Ключ заключается в использовании гиперболических фонон-поляритонов, уникальных электромагнитных возбуждений, возникающих в двумерном материале, образующем полость.

Эскиз нанополости (вид в поперечном сечении) и кончика ближнего поля, наложенный на смоделированное лучевое распределение мод резонатора.
Фото: Маттео Чекканти.

В отличие от предыдущих исследований резонаторов на основе фононных поляритонов, в этой работе используется новый механизм непрямого удержания. Нанополости создаются путем сверления наноразмерных отверстий в золотой подложке с предельной (2-3 нанометра) точностью, как ионно-лучевой микроскоп с гелий-фокусировкой. После изготовления отверстий поверх них наносится гексагональный нитрид бора (hBN), двумерный материал.

hBN поддерживает электромагнитные возбуждения, называемые поляритонами гиперболических фотонов, которые подобны обычному свету, за исключением того, что они могут быть ограничены чрезвычайно малыми объемами. Когда поляритоны проходят над краем металла, они испытывают от него сильное отражение, что позволяет им удержаться. Таким образом, этот метод позволяет избежать непосредственного формирования hBN и сохраняет его первозданное качество, обеспечивая сильно ограниченные и долгоживущие фотоны в резонаторе.

Это открытие началось со случайного наблюдения, сделанного в ходе другого проекта при использовании ближнепольного оптического микроскопа для сканирования двумерных структур материала. Ближнепольный микроскоп позволяет возбуждать и измерять поляритоны в среднем инфракрасном диапазоне спектра, и исследователи заметили необычно сильное отражение этих поляритонов от металлического края. Это неожиданное наблюдение послужило толчком к более глубокому исследованию, которое привело к осознанию уникального механизма удержания и его связи с образованием нанолучей.

Представление художника о нанополости и поле внутри нее.
Фото: Маттео Чекканти.

Однако после изготовления и измерения полостей команду ждал огромный сюрприз. «Экспериментальные измерения обычно хуже, чем предполагает теория, но в данном случае мы обнаружили, что эксперименты превзошли оптимистические упрощенные теоретические предсказания», — сказал первый автор, доктор Ханан Херциг Шейнфукс с факультета физики Университета Бар-Илан. «Этот неожиданный успех открывает двери для новых приложений и достижений в области квантовой фотоники, расширяя границы того, что мы считали возможным».

Доктор Херциг Шейнфукс проводил исследование вместе с профессором Коппенсом во время его постдокторской работы в ICFO. Он намерен использовать эти полости, чтобы увидеть квантовые эффекты, которые ранее считались невозможными, а также для дальнейшего изучения интригующей и противоречивой физики поведения гиперболических фонон-поляритонов.